不同的场板结构对GaN HEMT器件性能的影响

提高 GaN HEMT器件的工作电压是提升器件微波功率特性的有效途径，而提高器件的击穿电压是提高器件工作电压的前提。提高 GaN HEMT器件击穿电压的一个重要措施就是在栅上引入场板( Fiecal Plate，FP)，场板的存在能有效降低栅极在漏端附近的电场强度，从而提高器件的击穿电压，同时降低沟道中电子受强电场激发进入表面态的几率，从而起到抑制器件电流崩塌的作用。场板结构早期主要应用在 GaAS MESFET中，它通过重叠的栅结构实现击穿电压的提高，从而提高其功率密度，这种结构在2000年被引入到 GaN HEMT器件当中。目前常用的几种场板结构如图1所示。

图1 场板 GaN HEMT器件结构示意图

栅极单场板是最简单的场板结构形式(图1(a)，它通过将栅极向栅漏区域延伸，形成栅场板结构(G-FP)，它调制了栅极下电场分布，减小了栅极下面靠近漏端的峰值电场强度，使得场板 GaN HEMT的栅漏极击穿电压提高，如图2所示，在有场板的情况下，峰值电场强度降低了约一半。然而，栅场板也会增大寄生效应、栅电容及耗尽层长度，引起器件的增益下降，因此往往在器件设计时，需要在击穿电压和增益之间折中考虑。正因为栅场板结构增加了栅电容，有减小电流增益截止频率(f_T)和功率增益截止频率(f_max)的缺点，为更好地解决该问题，斜场板、双场板或多场板等结构被用于功率器件中(图1(b)~(d)。在栅场板基础上，增加了源场板(S-FP)结构，能起到降低反馈电容(C_gd)和改善大信号增益特性的作用，击穿电压能提高到上千伏量级，输出功率密度达到40W/mm；该场板下的耗尽区域不会受输入信号调制的影响，能够改善器件的线性度。此外，场板结构能降低表面陷阱的影响，减小色散特性，进而起到改善跨导、增益，减小泄漏电流和增强器件的稳定性等作用。因此，场板结构广泛应用于 GaN HEMT功率器件中。

图2 有无场板的 GaN HEMT沟道中电场强度对比

图3为有无栅场板的GaN HEMT结构电场分布仿真结果，仿真采用Silvaco软件，器件栅长0.25µm，场板长1µm，高160nm，场板与AlGaN/GaN材料之间为SiN介质。仿真结果显示栅场板的存在使得电场的分布变宽，一部分电场转移到场板上。图4为由图3提取得到的栅下电场沿沟道方向的分布情况，采用了栅场板之后，栅边缘的最大电场强度得到有效降低。图5为栅场板对GaN HEMT器件频率特性影响的仿真结果。由图可见，采用了栅场板以后，器件的电流增益和功率增益截止频率f_T、f_max都有明显减小，这是由于场板向漏端延伸使栅漏电容增加。

图3 GaN HEMT结构电场分布仿真结果

图5 栅场板对GaN HEMT器件频率特性的影响(仿真结果)

源场板是GaN HEMT所采用的另一种形式的场板结构，通过将场板与器件源端相连，将栅漏间的反馈电容转移至栅源之间，从而克服栅场板引入导致器件增益下降的问题。目前最常用的技术是将栅场板和源场板相结合，在 GaN HEMT引入双场板，如图6所示。器件特征频率f_T和最高振荡频率f_m_ax可由式(2-1)和式(2-2)进行描述：

其中，vsat为沟道电子饱和速度，Lg为栅长，gm为跨导，Cgs为栅源之间的寄生电容，Cgd为栅漏之间的寄生电容，Rg为栅电阻，Gds为输出电导，Rin为输入电阻。由式(2-1)可知，Lg越短，在保持等比缩小的原则下，电场基本不变，vsat基本不变，因此f_T越高，由此导致fmax越高。这意味着，研制适合于高频率工作的GaN HEMT器件，缩小栅长是一个有效的途径。因此，工作在微波频段的 GaN HEMT栅长一般为0.25µm及更小尺寸。

图6 源场板与栅场板相结合的 GaN HEMT示意图

但场板的引入将增加器件的寄生电容Cgs和Cgd，由式(2-1)和式(2-2)可知，这将恶化器件的频率特性，而寄生电容与场板结构密切相关，因此有必要研究场板结构对器件特性的影响。025µm栅长的双场板 GaN HEMT器件工艺中采用了电子束光刻栅技术，并解决了栅脚、栅场板以及源场板之间的套准精度问题，另外栅脚的低损伤刻蚀技术也是实现双场板结构器件的关键，这方面通过刻蚀条件的优化得到了很好的解决。针对Ku波段及以下的应用，通过优化场板长度、场板间介质厚度等相关参量来减小寄生电容，提高器件的频率特性。

图7和图8分别为采用了双场板和仅采用单个栅场板的两种GaN HEMT器件的小信号S参数测试结果，由于源场板的采用，栅源之间的寄生电容Cgs增大，使得器件的f和fmax出现了较大幅度的下降，但是源场板的引入却缓解了栅漏之间的寄生电容Cgd，使器件的增益得到了一定程度的提升，如12GHz下双场板器件的最大稳定增益(MSG)达到16.6dB，而栅场板器件12GHz下的MSG只有15.4dB，器件增益提升幅度达到了1dB以上。然而，当频率提高到18GHz以上时，由于采用了双场板的器件f_max较低，MSG进入快速下降阶段，导致采用双场板的器件相比栅场板的器件增益更低，因此双场板技术适合于Ku及以下频段应用，而针对更高频率的应用则不适合。

图9比较了采用双场板和仅采用栅场板的两种 GaN HEMT器件在不同频率下的功率附加效率(PAE)，可以看出，在频率较低时(8GHz以下)，两种器件的PAE没有明显区别，而当频率高于8GHLz时，采用了双场板的器件相比栅场板器件PAE提升达3%~5%。当频率进一步提升到18GHz时，两种器件的PAE基本相当，高于18GHz时则是单栅场板结构的器件PAE高于双场板结构的器件。也就是说，双场板结构在Ku波段以下对PAE确实有着较为明显的提升，但当频率进一步提升后其效率反而不如未采用源场板结构的单栅场板器件，这主要是因为当频率超过18GHz后，采用了双场板结构的器件增益随频率的变化出现了拐点，其后的增益下降速度加快，反而不如单栅场板结构的器件增益高。表1列出了只采用栅场板和釆用栅源双场板结构的两种器件的性能对比情况。

图9 双场板和单场板0.4mm栅宽GaN HEMT器件PAE的对比

表1 栅场板和双场板器件性能对比

相关阅读