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增加GaN帽层的HEMT结构

  GaN帽层结构的引入一般是用于减小电流崩塌效应。图1是增加了GaN帽层后的HEMT结构,以下将分析不同的GaN帽层厚度对AlGaN/GaN异质结的能带和2DEG的影响,以及对输出电流的影响。
增加GaN帽层的HEMT结构/GaN/AlGaN/GaN 结构 
图1 增加GaN帽层的HEMT结构/GaN/AlGaN/GaN 结构
 
  在AlGaN/GaN异质结的AlGaN层表面引入一层GaN帽层,则由于极化效应会导致势垒层有效势垒高度的升高,对于减小肖特基栅极晶体管的栅泄漏电流是有利的。设势垒层中导带最高点即AlGaN/GaN界面处AlGaN侧的导带为势垒层的有效势垒高度,则这个高度随结构参数的变化是很重要的。设势垒层没有掺杂,整个结构的未人为掺杂浓度为1×1015/cm³。改变GaN帽层厚度,图2对应不同的GaN帽层厚度的能带情况,势垒高度随着GaN帽层厚度的增加而增加,有利于减小肖特基栅极晶体管的栅泄漏电流。
GaN帽层导带 
图2(a)10nmGaN帽层导带 (b)20nmGaN帽层导带 (c)30nmGaN帽层导带
 
  图3对应GaN帽层厚度分别为10nm、20nm、30nm三种情况下AlGaN/GaN异质结电子浓度的分布情况,由图可以看出,随着GaN帽层厚度的增加,电子的浓度会降低,从而会减小输出漏电流。
GaN帽层对应的电子浓度 
图3(a)10nmGaN帽层对应的电子浓度 (b)20nmGaN帽层对应的电子浓度 (c)30nmGaN帽层对应的电子浓度
 
  图4是GaN帽层厚度分别为10nm、20nm和30nm情况下的输出漏极电流。从图4a(Vg=0V)和4b(Vg=-2V)漏极电流随GaN帽层厚度的变化情况可以看出,输出漏极电流随着GaN帽层厚度的增加而有所下降。
对应的输出漏极电流 
图4(a)Vg=0V对应的输出漏极电流 (b)Vg=-2V对应的输出漏极电流
 
  GaN帽层的引入会产生另外一个极化电荷层即GaN/AlGaN。假设AlGaN/GaN界面极化电荷是σ0,这电荷是正的,其电力线向外发散,在没有GaN帽层时主要终止于二维电子气处,所以二维电子气的密度和σ0很接近。引入GaN帽层后,GaN/AlGaN异质结界面的也会产生极化电荷-σ1,但方向相反,密度低一些(主要是因为压电极化和自发极化方向相反导致的)。则σ0一部分终止于GaN/AlGaN异质结界面的极化电荷-σ1,终止于二维电子气的电力线密度以及二维电子气的浓度则减小,形成新的静电平衡。当CAP层增加时,-σ1和σ0间的电力线变的短而密,AlGaN层电场增强,而σ0和二维电子气间的电场相应的减小,造成二维电子气密度下降;GaN/AlGaN界面的电场突变量是-σ1决定的,大小不变,所以GaN帽层中的电场也相应的减小。
 
  图5a和图5b对应没有GaN帽层和有20nmGaN帽层的电子浓度。比较他们的电子浓度可以看出,增加帽层后,电子浓度下降了很多。这是由于GaN帽层与AlGaN势垒层之间产生与AlGaN/GaN界面极性相反的极化电荷,影响了AlGaN/GaN界面的2DEG密度。
没有GaN帽层对应的电子浓度 
图5(a)没有GaN帽层对应的电子浓度  (b)20nmGaN帽层对应的电子浓度
 
  图6表示没有GaN帽层和不同GaN帽层厚度的情况下输出漏电流。图6a和图6b分别是栅极电压为0V和-2V情况下的输出漏极电流,引入GaN帽层后漏极输出电流下降很多,而GaN帽层厚度变化的影响是很小的。因此GaN帽层的引入虽然可以减小电流崩塌效应,但是也会使输出特性变差。
有帽层和没帽层的输出漏极电流  
图6(a)有帽层和没帽层的输出漏极电流  (b)有帽层和没帽层的输出漏极电流

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