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具有p-GaN帽层的GaN HEMT增强型器件研究

摘要

与硅（Si）基器件相比，基于 AlGaN / GaN 异质结构的高电子迁移率晶体管（HEMT）凭借着材料的高电场强度与在 Al GaN / GaN 界面处形成的二维电子气（2DEG）的高迁移率和电子密度，可以在更高的电压、电流、频率以及温度下进行工作。然而，2DEG 的存在使得常规 GaN HEMT器件为耗尽型。对于电力电子应用，出于安全原因和简化驱动电路，增强型器件必不可少。因此，增强型GaN HEMT器件的实现成为近几年来的研究热点。考虑到可靠性与工艺重复性等问题，具有 p-GaN帽层 GaN增强型器件成为主流商用器件。本文通过模拟仿真研究了结构参数对p-GaN HEMT器件直流特性的影响，通过工艺优化制备了高阈值电压与大饱和电流的p-GaN增强型器件，取得的研究成果总结如下：

1. 通过Silvaco软件仿真了常规结构的p-GaN HEMT在改变相关结构参数的情况下，其器件直流特性的变化。随着 p-GaN 帽层受主浓度以及厚度的增加，对栅极下方异质结界面处 2DEG 的耗尽作用增强，使得器件阈值电压随之增加。而随着 AlGaN势垒层中 Al 组分与厚度的增加，AlGaN/GaN 异质结所产生的净极化电荷增多，器件的阈值电压负向移动。引入 AlGaN 背势垒结构能有效抬高异质结界面处导带能级，在改善 2DEG 限域性的同时提高器件的阈值电压，随着 Al 组分的增加，器件阈值电压也随之增大。

2. 为了进一步改善器件直流特性，对栅下方部分 p-GaN 帽层进行刻蚀处理，引入 p-GaN 槽栅 HEMT 这一新结构器件，研究了凹槽占比以及凹槽刻蚀深度对器件特性的影响。将凹槽深度控制在仅刻蚀掉 p-GaN 层，改变凹槽的占比，对器件的阈值电压影响可忽略不计。随着凹槽比例的增加，器件的栅控能力与饱和工作电流也随之增加。固定凹槽占比改变刻蚀深度，凹槽深度由-5nm（残留5nm p-GaN层）逐渐增大至5nm（AlGaN势垒层刻蚀5nm）过程中，器件阈值电压无明显变化，但刻蚀深度进一步增加，阈值电压明显正移。就饱和电流方面考虑而言，残留 p-GaN层或者对AlGaN势垒层进行刻蚀均不利于性能改善。

3.基于110 nm p-GaN 帽层的AlGaN/GaN 异质结材料，成功制备了阈值电压 2.3V,源漏饱和电流 210mA/mm,跨导峰值 45mS/mm，击穿电压 340V（栅漏间距 6.5mu;m）的 Ni/Au 栅 p-GaN 增强型器件。为了研究不同功函数金属对器件直流特性的影响，采用低功函数金属 Ti/Au 作为栅极，使得器件的阈值电压提升至 2.9V，击穿电压提高至 410V。为了进一步改善 Ti/Au 栅器件直流特性，对器件进行氮气氛围下 300℃、10分钟的栅后退火处理。退火处理有助于修复势垒层界面态与浅能级 N 空位缺陷，同时促进栅极金属与 p-GaN 帽层界面发生固相界面反应，降低了栅极肖特基势垒高度。栅后退火导致器件的阈值电压由 2.9V 降低至 1.9V，跨导峰值由 85mS/mm 提升至115mS/mm，饱和工作电流由 310mA/mm 提升至 505mA/mm，增幅高达近 66%。在阈值电压与饱和电流折中考虑下与近年来国内外已发表器件指标进行对比，器件直流特性接近国际领先水平。

关 键 词：p 型氮化镓， 增强型， 槽栅， 钝化， 退火

一．介绍

基于氮化镓（氮化镓）的高电子迁移率晶体管(HEMTs)因其优越的低比电阻、高操作开关频率、高击穿电压和高热稳定性等性能在高功率电子领域引起了相当大的关注。传统的AlGaN/GaNHEMTs表现出一种正常开启的行为，这是由于二维电子气体(2DEG)固有地存在于界面上造成的AlGaN/GaN异质结构中的内置极化电场。然而，为了满足大多数电力电子应用的需求，正常关闭的器件是更理想的已经开发了几种技术来实现正常关闭运行，包括凹槽栅、氟基等离子体处理、浮动电荷、压电中和层和p型氮化镓帽层.在这些不同的方法中，p-GaN栅结构被认为是最有前途的商业化结构，因为它在器件性能、可靠性和制造能力之间非常平衡。最近，一种基于GaN的p-n结栅HEMT具有n-GaN/p-GaN/GaN栅堆叠，已被证明可以提高器件的性能，具有更大的栅击穿，这是由于在前栅电压下p-n结的损耗区域更大。此外，beta;-Ga₂O₃是一种很有吸引力的超宽带隙半导体，并显示出巨大的性能,有潜力超过当前的高功率半导体，如氮化镓和碳化硅。更令人鼓舞的是，机械剥离的n型beta;-Ga之间的p-n异质连接的构建Ga₂O₃和p型氮化镓。因此，一个基于GaN的p-n结栅HEMT具有n型beta;-Ga₂O₃/p-GaN/AlGaN/GaN栅堆栈可能是一个有吸引力的考虑，需要进一步的研究。

对于传统的p-GaN HEMT，通道中的二维电子气由肖特基栅进行调制。肖特基势垒高度随栅极功函数的变化而变化，这决定了包括阈值电压、栅极击穿、栅极泄漏等电特性。因此，栅极材料功函数的选择对于获得适当的屏障高度以保持器件操作非常重要。在本文中，我们研究了肖特基栅接触点的工作函数对n-beta;-Ga性能的影响Ga₂O₃/pGaN/AlGaN/GaN HEMT。栅的功函数被选择为4.6、5.1和5.7eV，以及相应的Cu、Ni和Pt的金属.电气特性，包括阈值电压(V_th）、饱和漏极电流（I_D,S)，研究了该装置的栅故障和关闭状态的栅泄漏。值得注意的是，观察到具有不同栅极工作函数的阈值电压和输出电流之间的权衡行为。此外，栅的功函数还可以控制装置的栅故障和关闭状态的栅泄漏。此外，还模拟了能带图、电子浓度和电场分布来分析其机理。

二.TCAD建模

2.1 模型

我们使用了Silvaco Atlas二维漂移-扩散模拟器，采用了一种低场迁移率模型，并考虑了各种类型的散射机制[25].肖特基接触被用来模拟捕获效应[26].由于氮化物半导体的强自发和压电极化效应，考虑了极化模型[27].采用福勒-诺德海姆隧道模型来处理隧道效应[28].采用平行电场模型模拟速度饱和效应，所有计算均基于费米-狄拉克统计量[29].

2.2 装置结构

提出了带有堆栈栅beta;-Ga的e模AlGaN/GaNHEMT₂O₃/p-GaN结构由一个5nm的beta;-Ga组成Ga₂O₃载流子浓度为1times;10¹⁷cm^minus;3，一个50nm的p-GaN层，一个15nm的Al_0.23Ga_0.77N个阻挡层，一个2micro;m氮化镓缓冲层如图所示1(a)p-GaN层的空穴密度为3times;10¹⁷cm^minus;3而AlGaN层的电子密度为1times;10¹⁷cm^minus;3。在氮化镓缓冲液中无意掺杂的载流子浓度为1times;10¹⁶cm^minus;3。该装置的栅极-源距离、栅极长度和栅极-漏极距离分别为1micro;m、1micro;m和6micro;m。

图 1（a）原理图 （b）栅金属和半导体在接触中，其中q表示肖特基势垒高度。

在图(b)栅金属和半导体在接触中，其中q表示肖特基势垒高度。定义为肖特基接触，源极和漏极被定义为欧姆接触。选择栅金属的功函数分别为 4.6V、5.1V和5.7eV，研究了栅金属的功函数对该器件性能的影响。栅极金属与半导体的接触情况如图所示1(b)，肖特基势垒高度是由栅极金属功函数与半导体导带之间的能量差决定的。

三.结果和讨论

3.1 栅的功函数对电压的影响

图2(a)和(b)显示了HEMT器件的传输和输出特性。如图所示图2(a)，当漏极电压为5V时，器件的阈值电压分别为1.7、2.3和2.8V，栅极金属的工作函数分别为4.6、5.1和5.7eV。因此，从I中线性区域的斜率得到的阈值电压I_D–V_G曲线随栅极材料功函数的增加而增大。图2(b)显示I_D–V_D在本工作中，饱和漏极电流定义为20V漏极电压下的输出漏极电流I_D–V_D曲线从图中获取2(b)，饱和漏极电流分别为0.34、0.23和0.15Ammminus;1闸栅的功函数为4.6eV，5.1eV和5.7eV。因此，饱和漏极电流随着栅极功函数的增加而减小。因此，在V_th以及具有不同栅极功函数的饱和漏极电流，如图所示2(c).这可以归因于不同栅工作函数导致的肖特基势垒高度导致的带图的差异。

模拟了频带图，研究了功函数对器件阈值电压的影响，如图所示3(a)和(b).栅极电压和漏极电压均设为0V，费米能级设为0eV。图3(a)显示了具有三种功函数的器件的导通带图。理论上的肖特基势垒高度可以从图中得到3(a)分别为0.6、1.1和1.7eV，栅极功函数分别为4.6、5.1和5.7eV。在0v栅电压时导电带图超过费米能级，因此在AlGaN/GaN异质结的电位阱中很少收集电子。

图 2器件在漏极电压5V下的传输特性和器件在栅电压4V下的输出特性。具有不同栅极功函数的阈值电压和饱和漏极电流之间的权衡。栅极金属的功功能分别为4.6、5.1和5.7eV。

图 4栅极材料功函数为5eV的开启状态器件的(a)能带图。(b)电子浓度和在AlGaN/GaN界面上的。(c)电子浓度，栅极材料功函数分别为4.6、5.1和5.7eV。

漏极电压设置为5V，栅极电压设置为4V。应应用于栅极上，以收集电位阱中的电子，以形成通道电流并打开器件。因此，应在栅极上施加更大的栅极电压，以打开电位阱中电子较少的器件。这可以从图3(a)和(c)的数字中找到，功函数为5.7eV的导带表现出最浅的电势，在AlGaN/GaN界面的电子浓度随栅极材料功函数的增加而降低。因此，栅极功功能为5.7eV的器件的阈值电压最大，如图所示，图2(a)，图3(b)绘制了栅电压为0V时器件的价带图，其中价带图在费米能级下，在p-GaN/AlGaN界面上很少存在空孔。随着栅偏置的增加，在p-GaN/AlGaN界面收集孔，并进一步漂移到AlGaN/GaN界面。

为了研究栅极材料功函数对器件饱和漏电流的影响，模拟了能带图和电子浓度分布，如图所示图4.该器件处于开启状态，栅极电压为4v，导带图在AlGaN/GaN界面的费米能级下，因此在AlGaN/GaN电阱处存在大量电子，如图所示4(a).这些电子流入漏极，通常称为漏极电流。当在AlGaN/GaN界面收集的所有电子被吸引到漏极端时，获得器件的饱和电流。

也就是说，在AlGaN/GaN界面上存在的电子越多，饱和漏极电流就会越大。图4(b)显示了器件的电子浓度分布，而具有三个栅极材料功函数的AlGaN/

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