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双异质结HEMT结构

  HEMT多沟道可以用于增大HEMT驱动电流。GaAs基HEMT多沟道结构有较多研究,在GaN基材料HEMT中,多沟道HMET研究较少。AlGaAs势垒层的引入往往并非用于形成第二沟道,而是作为埋层用于减小向衬底的漏电流或提高更多施主杂质。要形成第二层2DEG,第二势垒层必须重掺杂并具有相当的厚度。虽然这里的第二AlGaN势垒层厚度较小且未人为掺杂,但已形成第二层2DEG,这是极化效应产生的结果。
 
  本文考虑在AlGaN/GaN结构的GaN层插入第二个AlGaN层(未人为掺杂),形成双沟道,研究第一GaN层的厚度d1和第二AlGaN势垒层的厚度d2的影响,图1是双异质结HEMT结构。
双异质结结构的HMET 
图1 双异质结结构的HMET
 
  首先,设定d2=20nm,改变d1的厚度,研究不同厚度情况下的能带图、2DEG密度及其输出电流特性。图2显示d1厚度分别为10nm、20nm、30nm的导带图,比较导带可以看出,随着d1厚度的增加,第一层AlGaN/GaN异质结的导带深度增加,而第二层AlGaN/GaN异质结的导带深度减小。
 (a)10nm-20nm导带图  (b)20nm-20nm导带  (c)30nm-20nm导带图 
图2 (a)10nm-20nm导带图  (b)20nm-20nm导带  (c)30nm-20nm导带图
 
  图3是d2=20nm情况下改变d1的厚度情况下的电子浓度的分布情况,随着d1厚度的增加,第一层AlGaN/GaN异质结的电子浓度增加,而第二层AlGaN/GaN异质结的电子浓度降低,与导带深度的变化是一致的。
 (a)10nm-20nm导带图  (b)20nm-20nm导带  (c)30nm-20nm导带图 
图3 (a)10nm-20nm电子浓度  (b)20nm-20nm电子浓度  (c)30nm-20nm电子浓度
 
  图4是d2=20nm不同d1厚度情况下输出漏极电流,图4a对应栅极电压0V的情况,图4b对应栅极电压-2V的情况。从图中电流随d1厚度的变化情况可以看出,随着d1厚度的增加,输出电流是减小的。虽然上面的分析中两个异质结中的导带及电子浓度的变化方向是相反的,但总的效果是输出电流减小。
(a)Vg=0V的输出漏电流  (b)Vg=-2V的输出漏电流 
图4 (a)Vg=0V的输出漏电流  (b)Vg=-2V的输出漏电流
 
  其次,设定d1厚度20nm不变,改变d2厚度,研究不同的厚度的能带图、2DEG浓度及其输出电流。
 
  比较图5a、b和图2b,d1=20nm,d2厚度分别为10nm、30nm、20nm情况下的导带图,从比较中可以看出,随着d2厚度的增加,第一层AlGaN/GaN异质结的导带深度减小,而第二层AlGaN/GaN异质结的导带深度增加。
(a)20nm-10nm导带图 (b)20nm-30nm导带图 
图5 (a)20nm-10nm导带图 (b)20nm-30nm导带图
 
  比较图6a、b和图3b,d1=20nm,d2厚度分别为10nm、30nm、20nm情况下的电子浓度的分布情况,随着d2厚度的增加,第一层AlGaN/GaN异质结的电子浓度减小,而第二层AlGaN/GaN异质结的电子浓度增加,与导带深度的变化情况是一致。
(a)20nm-10nm电子浓度  (b)20nm-30nm电子浓度 
图6 (a)20nm-10nm电子浓度  (b)20nm-30nm电子浓度
 
  图7是不同栅压下的输出漏极电流,从图中可以看出,随着d2厚度的增加,输出电流是增加的。虽然上面的分析中两个异质结中的导带及电子浓度的变化方向是相反的,但总的效果是输出电流增加,与第一层AlGaN/GaN异质结中电子浓度的变化趋势一致。
(a)vg=0V的输出漏电流  (b)vg=-2V的输出漏电流 
图7 (a)vg=0V的输出漏电流  (b)vg=-2V的输出漏电流
 
  最后设定d1+d2为固定值,研究不同的厚度的能带图、2DEG浓度及其输出电流。比较图2a、5a和图8,d1增加,d2减小总和为30nm的情况下的能带状态,趋势是第一层AlGaN/GaN异质结的能带变深,而第二层AlGaN/GaN异质结的能带变浅。
15nm-15nm导带图 图9 15nm-15nm电子浓度 
 
  比较图9、3a和6a,d1增加,d2减小总和为30nm的电子分布情况,显示第一层AlGaN/GaN异质结的电子浓度增大,而第二层AlGaN/GaN异质结的电子浓度减小,与导带带阶的变化趋势相同。图10对应d1+d2=30nm,d1变大、d2减小情况下输出漏极电流,显示厚度之和相同的情况下,随着d1厚度的增加,d2厚度的减小输出电流减小。
(a)vg=0V的输出漏电流 (b)vg=-2V的输出漏电流 
图10 (a)vg=0V的输出漏电流 (b)vg=-2V的输出漏电流
 
  比较图11、2c、5b,d1增加,d2减小总和为50nm的能带状态,显示第一层AlGaN/GaN异质结的能带变深,而第二层AlGaN/GaN异质结的能带变浅。与厚度和为30nm的情况结论相同。
25nm-25nm导带图 图12 25nm-25nm电子浓度 
 
  比较图12、3c、6b,d1增加,d2减小总和为50nm的电子分别情况,显示第一层AlGaN/GaN异质结的电子浓度增加,而第二层AlGaN/GaN异质结的电子浓度减小,与导带带阶的变化趋势相同。图13是厚度之和为50nm,20nmGaN-30nmAlGaN、25nmGaN-25nmAlGaN、30nmGaN-20nmAlGaN三种情况下的输出漏极电流。图13a对应栅极电压0V,图13b对应栅极电压-2V情况,比较输出电流大小可以看出,厚度之和相同的情况下,随着d1厚度的增加,d2厚度的减小输出电流减小。
(a)Vg=0V输出漏电流 (b)Vg=-2V输出漏电流 
图13 (a)Vg=0V输出漏电流 (b)Vg=-2V输出漏电流
 
  综合以上分析的结果可以得出的结论是:随着d1(GaN层)厚度的增加,输出电流是减小的;随着d2(AlGaN层)厚度的增加,输出电流是增加的。也即是第一层沟道中的GaN层厚度的增加会减小输出电流,而第二层沟道中AlGaN层的厚度的增加有利于提高输出电流。

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