图1 金属2DEG隧穿式增强型AlGaN/GaN HEMT
本文将着重介绍这种隧穿式增强型MISFET的原理，并利用仿真工具对其源极金属的选择做初步研究。1. 金属2DEG结调制隧穿原理
金属2DEG结在能带分析上可以近似为一个金属-n++肖特基接触。如图2所示，当具有较高功函数的金属与2DEG接触时，2DEG中的电子将进入金属，此时2DEG沟道的费米能级将下降。为了阻止电子的漂移，在金属2DEG结的2DEG一侧将形成空间电荷区。空间电荷区阻止了电子的进一步运动，使金属2DEG的结形成势垒。当金属2DEG结反偏时，此势垒阻挡了电子的运动，使金属2DEG结具有整流功能。
图2 金属2DEG结导带能带图
当金属2DEG结上方的栅极加正偏压时，相当于对金属2DEG结的2DEG一侧进行调制加重掺杂，这样结的耗尽区宽度W将进一步减薄，如图3所示。当耗尽区宽度W降低到一定程度时，更多的电子将参与隧穿，形成隧穿电流。
图3 栅极对金属2DEG结导带的调制
2. GaN异质结金属2DEG隧穿型MISFET特性
制备金属2DEG隧穿型器件的关键是隧穿结中源极金属的选择。选择具有合适功函数的金属才能实现调制隧穿功能，且具有一定的反向阻断能力。源极金属具有的功函数过低，会导致隧穿结反向难以阻断而难以建立静态工作点，这在功率应用中是不能接受的。而金属具有过高的功函数会令隧穿结势垒过高、过宽，这使得在一定栅电压范围内对隧穿结的调制不能引起电子隧穿概率的显著提高。
对此，本文通过仿真对金属2DEG结隧穿式增强型MISFET源极金属的选择做了初步探究。如图4所示，在漏极电压为30V时，源极金属功函数升高会显著降低漏电和正向电流输运能力而同时提高阈值电压。源极金属功函数为4.2eV时，栅压为0V的器件漏电流达到10μA/mm量级，严格意义上讲，此时的器件已经不具有增强型功能。而当源极金属功函数大于4.5eV时，器件漏电较小，此时通过对诸如栅介质材料等其他影响因素的优化，可以使所制备的金属2DEG结隧穿式增强型MISFET运用在功率系统中。值得一提的是，这里的仿真属于功能验证型研究，因此仿真中设置了较多的陷阱，因此器件漏电与正向电流均会低于实验值。
图4 具有不同源极金属的金属2DEG结隧穿式增强型MISFET转移仿真特性