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pn结抑制电流崩塌的新方法

  大量研究表明,表面陷阱态在电流崩塌中起关键作用。电流崩塌的各种瞬态现象与器件的表面有密切关系。由于电流崩塌与表面状态的强相关性,抑制电流崩塌就需要减少表面陷阱或抑制表面陷阱对沟道的影响。
 
  受p型GaN帽层抑制电流崩塌方法及厚的GaN帽层抑制电流崩塌方法的启发,笔者认为p型GaN帽层抑制电流崩塌可能与pn结有关,厚的GaN帽层的引入抑制电流崩塌可能是因为帽层很厚,使表面陷阱远离导电沟道,减小了表面电荷对沟道电子的调制作用,而不是GaN材料的影响。因此本文研究直接在AlGaN势垒层上形成pn结,利用pn结形成的内电场,抑制表面陷阱电荷对沟道电子浓度的影响。表面陷阱俘获的是电子,相当于表面存在负电荷,从而产生电场。采用的pn结结构如图1所示,表面负电荷作用下pn结反相偏置,使pn结耗尽区变宽,电场主要降在pn结上,减小了表面电子对沟道极化电场的调制作用,从而抑制了电流崩塌效应。
电流崩塌示意图 
图1 电流崩塌示意图
 
  1. 物理模型及器件结构
  (1)极化效应及电子浓度计算
  Ⅲ-Ⅴ族氮化物材料是纤锌矿结构,晶格对称性较低,在异质界面附近会产生很强的自发极化和压电极化,感生出极强的界面电荷和电场,这些极化效应对2DEG的贡献远远大于能带裁减的贡献。由于GaN非故意掺杂,杂质浓度很低,对电子的散色小,迁移率高,可以制作性能优良的HEMT器件。
 
  极化效应是氮化物材料最突出的特点,利用极化效应可以制作高电子迁移率场效应晶体管HEMT。其结构主要是在GaN外延材料上再外延生长一层AlGaN,由于两种材料之间存在晶格不匹配,产生压电极化电荷Ppe
 计算公式1 
  其中,a表示晶格常数,x表示铝含量,e31和e33为材料的压电常数,C13和C33表示弹性常数。
 
  异质结界面处晶格的周期性被破坏,GaN材料本身也会产生极化产生自发极化电荷Psp
计算公式2~4 
  其中Ψ是电子的波函数,E为电子的总能量,V为电子势能。
 
  而电势需要解泊松方程
计算公式5~9 
  通过自洽求解上述方程可以得到二维电子气的浓度。
 
  (2)虚栅模型
  本文提出的抑制电流崩塌的方法的验证是基于虚栅模型的原理即:假设表面态具有陷阱作用,能俘获电子形成虚栅,虚栅的电势变负引起对沟道层的进一步耗尽,从而控制沟道电流。由于这些表面态充放电需要时间,在DC或应力条件下会造成瞬态,在RF条件下电流的变化赶不上RF信号的频率变化,器件输出功率密度和功率附加效率减小,从而形成崩塌。
 
  (3)仿真结构及参数
  仿真软件采用SILVACO-TCAD,可以很好的支持GaNHEMT器件的仿真。
pn结仿真的器件结构 
图2 pn结仿真的器件结构
 
  仿真器件结构(图2)包括2.5µm非故意掺杂GaN层,20nm非故意掺杂AlGaN层,Al的摩尔组分为27%,这两层背景掺杂浓度设为N型1×1015/cm³,GaN和AlGaN形成异质结,在交界面产生很高的电子浓度,由于被束缚的电子是限制于平行于沟道二维方向内自由移动,在垂直于沟道方向受限制,称为二维电子气(2DEG)。栅长Lg=0.6µm,栅宽Wg=1µm,栅漏距离Lgd=1.2µm,栅源距离为Lgs=1.2µm。源极和漏极是欧姆接触,栅极是肖特基接触。实际结构中欧姆接触都在器件的上表面,但仿真的结构中欧姆接触定义为纵向贴在器件的两侧,深度直到异质结界面下方与沟道相接触,如图2中粗实线所示,否则无法仿真出正确结果。由于电流崩塌的强表面相关性,引起崩塌的主要原因在于栅漏之间的陷阱俘获电子对沟道二维电子气耗尽,引起输出电流减小,输出功率降低。仿真中引入了极化效应来仿真器件特性,并在器件表面设置负电荷,来模拟陷阱俘获电子对沟道的耗尽作用。
 
  GaN和AlN模型参数值如表1所述。AlGaN的模型参数可根据Al的摩尔组分线性插值计算得出。仿真中未考虑温度的影响,采用极化模型计算沟道电子浓度,选取漂移扩散模型计算电荷输运过程,另外还选取了费米统计模型等。
表1 T=300K时材料参数值
T=300K时材料参数值 
 
  2. 仿真结果和分析
  仿真包括四组数据:1.没有引入表面电荷的影响,2.引入表面负电荷模拟陷阱俘获的电子对沟道的耗尽作用即电流崩塌效应,3.采用pn结结构,即在AlGaN层上面设置一层10nm厚的p型AlGaN,浓度设为1×1016/cm³。这次仿真不引入表面电荷。4.采用pn结结构,同时引入表面电荷,观察电流崩塌程度,分析pn结对于电流崩塌的抑制效果。仿真中AlGaN势垒层总厚度设置为30nm,其中上面的10nm的AlGaN根据仿真需要设置为n型背景浓度为1×1015或p型浓度为1×1016。采用槽栅结构,栅极下面没有pn结的影响。
 
  图3所示是栅极电压分别为-5V、-2V、1V和3V四种情况下,输出漏极电流相对于漏源电压的曲线。仿真中没有引入表面电荷影响,也没有采用pn结结构,整个AlGaN势垒层及GaN层都是非故意掺杂的电流输出特性,用于模拟没有电流崩塌影响的电流曲线。
没有pn结和表面电荷影响的输出电流 
 
(a)有表面电荷影响的输出电流 (b)比较有与没有表面电荷影响的输出电流 
 
  图4和图5a是没有采用pn结结构、引入表面负电荷模拟表面陷阱俘获电子对沟道的调制作用,模拟电流崩塌效应。其中图4是固定漏极电压为10V,栅极电压变化的漏极电流输出曲线,图5b是电流崩塌曲线同没有崩塌曲线的对比,颜色相同的曲线表示相同的栅压,数值大的电流是原始曲线,而数值小的是崩塌曲线。通过比较可以看出,表面电荷引起输出电流大幅度减小,产生电流崩塌。
 
  图6所示是采用了pn结结构即在上层10nmAlGaN层p型掺杂1×1016/cm³,而AlGaN下层仍然是未人为掺杂情况n型1×1015/cm³,p型AlGaN层与n型AlGaN形成pn结。图6没有引入表面电荷,其输出电流曲线和图3原始输出电流重合,表明不是由于pn结结构的引入而引起的输出电流的变化。
采用PN结、没有表面电荷的输出电流 
图6 采用PN结、没有表面电荷的输出电流
 
  图7a是采用pn结结构、引入表面负电荷,模拟电流崩塌效应影响的输出电流。图7b中颜色相同的曲线表示相同的栅压,数值大的电流是原始曲线,而数值小的是崩塌曲线,比较电流可以看出,电流只稍微有所减小,比没采用pn结结构的电流输出有很大程度的改善。因此,这种pn结结构可以很好的抑制的由于表面陷阱俘获电子对沟道的影响,从而抑制了电流崩塌,改善了器件输出特性。
(a)采用PN结、有表面电荷的电流输出曲线 (b)比较采用PN结、有表面电荷的电流与原始输出电流 
图7 (a)采用PN结、有表面电荷的电流输出曲线  (b)比较采用PN结、有表面电荷的电流与原始输出电流
 
  AlGaN势垒层中引入p型AlGaN与n型AlGaN形成pn结,pn结存在内部电场,如果表面存在由于陷阱俘获的负电荷,则相当于pn结反向偏置,电压降在pn结上,可以减小表面陷阱俘获电子对沟道二维电子气的影响,输出电流不会有大的变化,从而抑制高频频散现象对应的电流崩塌。同采用GaN帽层相比较,可以省掉生长帽层的步骤,在AlGaN势垒层掺杂一层p型结构,形成pn结,利用pn结抑制电流崩塌而不是GaN/AlGaN界面的极化电场屏蔽表面陷阱电荷的影响。

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