1. 复合金属栅AlGaN/GaN HEMT器件建模
TMG AlGaN/GaN HEMT结构如图1，自上而下，由20nm的Al0.26Ga0.74N势垒层0.5µm的衬底，1nm的AlN插入层以及及2µm的GaN缓冲层构成，栅漏距Lgd和栅源距Lsg分别固定为0.4µm和0.6µm，200nm的Si3N4用作钝化层。栅极由一系列功函数在4~7eV范围内的金属构成，并满足金属功函数沿源极向漏极依次递减，使得栅下沟道的电势在金属界面处形成阶梯形分布，能起到屏蔽漏区对沟道的影响的作用，金属界面间存在的电场峰值提高了栅下沟道的输运效率，同时提高了器件的直流和频率特性。
图1 三复合金属栅AlGaN/GaN HEMT器件结构
为研究复合金属栅的作用机理和效果，仿真以单栅常规GaN HEMT(SMG-HEMT)作为参照结构，分别仿真了双复合金属栅DMG和三复合金属栅TMG结构。三个栅结构总栅长均为固定为180nm，除了栅金属构成不同外，三个结构的其余部分均保持一致。SMG栅金属为Pt（180nm），功函数为5.65；DMG栅金属分别为Pt（90nm)和Au（90nm），功函数分别为5.65和5.1；TMG栅金属分别为Pt（60nm）、Au(60nm)以及Ni（60nm），功函数分别为5.65、5.1和4.6。
仿真借助Silvaco TCAD软件，除了采用泊松方程和连续性方程以外，考虑到纳米栅GaN基HEMT电子在高场下的速度饱和，采用了迁移率的高场饱和模型；同时采用了SRH（Shockley-Read-Hall）模型和Auger复合模型两种复合模型；此外由于器件纳米尺度的尺寸还考虑了隧穿模型和费米统计模型。仿真中采用极化模型计算得到二维电子气面密度为1.2×1013cm-2，电子迁移率设置为1300cm2/Vs。
2. 复合金属栅AlGaN/GaN HEMT工作原理
当器件栅长缩短为深亚微米尺度，DIBL效应是引起短沟道效应的原因之一，随着栅长的缩短，源漏间的势垒会随着漏偏压的增加而降低，使得栅对沟道调制作用降低，将引起源端额外的载流子注入，导致亚阈值电流的增加，以及输出特性曲线不饱和。
图2 复合金属栅AlGaN/GaN HEMT栅下沟道x方向的电势和电场分布
从图2可见Vgs=0V和Vds=6V时的栅下沟道沿图1中的X方向的电势分布，相比SMG结构，由于金属间存在功函数差异，可以看到DMG和TMG结构在栅下沟道处的电势形成了以金属界面处为台阶的阶梯分布，说明电压更多地落在了漏测的栅金属上，而不是落在整个栅电极上。由于本次仿真的器件栅长太窄，不能得到清晰的阶梯形电势分布，但可见看到电势在金属界面处存在明显的渐变。这屏蔽了漏端电压的变化对源端势垒的影响，使得在高漏压下，源端势垒随着漏端势垒下降而下降的现象得到缓解，以此来提高对SCEs的抑制作用。
通常用阈值电压漂移对漏源电压的变化率来衡量DIBL效应，DIBL值由（1）式求得，在仿真中，器件工作在线性区的漏极电压Vds,linear取0.5V，器和区的漏极电压Vds,sat取6V。根据（1）式求得的DMG和TMG的DIBL值分别为20mV/V和19.5mV/V，相比SMG（24mV/V），分别下降了16.7%和18.8%，表现出良好的DIBL效应抑制效果，与图2的电势分布相一致，随着金属种类的增多，漏端电势上升得越快，源端势垒下降越慢，对DIBL的抑制效果也就越好。
图3 复合金属AlGaN/GaN HEMT栅下沟道方向电子速度分布
根据FET理论，沟道的横向电场分布一致会影响电子的输运，电子在源端的初始速度较低，而靠近漏端时才加速到最大饱和速度。图2和图3分别为Vgs=0V，Vds=6V时的栅下沿沟道方向的电场分布和电子速度分布。从图2中可见，相比SMG结构，DMG和TMG结构在不同的金属界面处存在额外的电场峰值，反应到图3中，在每个电场峰值处同时存在电子速度峰值，说明复合金属栅结构提高了电子在栅极源侧的初始速度，且随着构成栅极的金属种类增多，电场峰值和电子速度峰值的个数增多。所以，栅下沟道电子整体的平均漂移速度得到提高，进而提高了栅下沟道的传输效率。值得注意的是，GaN基HMET栅漏侧边沿存在的电场峰值会引起逆压电效应或者其他热电子效应导致器件退化，由图3可见，栅边沿的电场峰值随着栅下电场峰值的个数增加而减小，说明，随着金属种类的增多，本文提出的复合金属栅结构也对器件的可靠性有所改善。
3. 复合金属栅对AlGaN/GaN HEMT电学特性的影响
对SMG、DMG和TMG三种栅结构的AlGaN/GaN HEMT进行直流特性和频率特性的仿真，并结合原理分析，说明复合金属栅结构对AlGaN/GaN HEMT特性的影响。
图4 SMG、DMG、TMG的输出特性
图5 SMG、DMG、TMG的转移特性
图4为SMG、DMG、TMG三个器件的输出特性对比，Vds从0V变化到8V，Vgs从-4V变化到0V，步长为1V。DMG和TMG结构的最大饱和电流分别为1.21A/mm和1.31A/mm，相比SMG结构的1.12A/mm，分别提升了8.0%和17.0%。图5为转移特性和跨导，Vds固定在6V，Vgs的变化范围为-4V至0V，可见DMG和TMG结构的亚阈值斜率与SMG结构相近，在最大饱和漏电流提升的同时阈值电压并没有明显变化，但最大直流跨导从440mS/mm（SMG）提高到469mS/mm（DMG）和485mS/mm（TMG），分别提升了6.6%和10.0%。可见这种直流特性的提升是随着构成栅金属的种类增加而增加的，与Si基MOS器件中同样栅结构直流特性结果相一致。图4和图5中表现出的最大饱和电流和直流跨导的增加可以由图3解释为复合金属栅结构对栅下沟道的输运效率的改善作用。
电流增益截止频率fT为表征器件极限开关速度的关键参数，图6为Vds固定在6V，Vgs从-6V变化到0V时SMG、DMG、TMG三个器件的fT比较，SMG的最大fT为115GHz，与近期AlGaN/GaN毫米波HEMT相仿，而DMG和TMG的最大fT分别为125GHz和132GHz，相比SMG分别提高了8.7%和14.8%。考虑到我们仿真中使用的器件栅长为Ref.中的2倍，随着进一步缩小栅长，使用复合金属栅能够达到更高的截止频率。FET的增益截止频率可以表示为fT=gm/(2π·Cg)，要提高器件的fT需要提高器件跨导gm或是减小栅电容Cg。然而三个器件的栅电容几乎相同，说明本文提出的复合金属栅结构并没有引起栅电容的变化。
图6 SMG、DMG、TMG的频率特性
同时，由GaN基器件栅根与接入区的边沿电容效应存在，使在亚微米栅长的尺度下无法用工艺的手段进一步缩小栅电容，所以提高gm是进一步提高器件fT的关键因素，本文提出的复合金属栅结构中fT的提高正是得益于直流跨导gm的提高。并根据上面的分析，随着构成栅极的金属种类越多，沟道电子的平均速度越高，直流跨导gm越高，则fT的提升就越明显。