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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。


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。


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。