图1 AlGaN/ GaN HEMT能带结构示意图
GaN HEMT中的2DEG的形成与材料的极化效应有关。图2为Ga面(0001)和N面(000Ī)生长的GaN结构示意图和极化特性。虽然N面GaN具有更小的接触电阻,但其击穿电压比Ga面GaN更低,并且Ga面GaN有更均匀和平坦的异质结界面特性,所以Ga面GaN在功率器件中得到更广泛的应用。
图2 GaN晶体生长方向(Ga面和N面)结构示意图和极化效应
AlGaN/ GaN HEMT中存在两种极化效应:自发极化(PSP)和压电极化(PPE)(如图2(b)所示)。在Ⅲ-N族化合物共价键中,由于N原子最外层轨道没有电子占据,所有的电子被吸引到N原子一侧,内部原子核与外部电子间的强库仑引力形成了非对称的纤维锌矿GaN晶体结构,故引起了自发极化效应。压电极化效应是由不同材料间晶格常数失配产生的外部应力引起的。因此,在 AlGaN/GaNHEMT器件中,两种极化效应的共同作用,在异质结界面处产生了净极化电荷,从而形成了2DEG,其面电荷密度( σsheet)可由极化电场强度公式计算得到:
σsheet(x)=(PSP+PPE)AlxGa1-xN-(PSP)GaN (1)
其中,PSP是由晶体结构参数决定的自发极化强度,PPE是由结构参数和压电极化系数决定的压电极化强度。可见,极化强度和面电荷密度的大小是Al组分x的函数,随着x的增加而增大,变化趋势如图3所示。对于N面GaN/ AIGAN/GaN器件,极化引起的面电荷符号在GaN/AGaN异质结上表面为正,在 AIGAN/GaN下表面为负;而对于Ga面GaN/AlGaN/GaN器件,符号正好相反,但面电荷密度的总量是相同的。x=0.3时, σsheet/e可以达到1.7×1013cm-2,这几乎是其他Ⅲ-V族异质结器件的10倍,所以高极化强度的AlGaN/GaN器件表现出了优越的性能。值得一提的是,Al组分的增大虽然能增大面电荷密度,但电子迁移率会有所降低,这主要是由于散射的影响。因此需要在Al组分与电荷密度间折中考虑。
图3 Ga面及N面 GAN HEMT器件内部特性随Al组分的变化趋势
有了以上的极化效应的分析,便可以从2DEG面密度出发,结合器件的结构和工艺参数,得到 GaN HEMT器件的直流(DC)特性。器件的阈值电压(VT)是Al组分x的函数,可求得:
(2)其中,ΦB(x)是肖特基势垒高度,△Ec(x)是异质结的导带阶,q是电荷,Nd是均匀掺杂浓度,d是AlGaN势垒层厚度,σ(x)是极化的面电荷密度,ɛ(x)是AIGAN层的介电常数。2DEG的电子浓度ns为
(3)其中,VG是栅极电压,V(Y)是沿沟道长度方向的电势,△d是沟道厚度。于是对电子浓度沿沟道长度积分,便可得到漏极电流Ids:
典型的耗尽型Algan/ Gan HEMT器件Ids特性如图3所示,在饱和区,由于温度效应的影响,电子迁移率降低,导致了电流的下降。
图3 微波AIGAN/ GAN HEMT直流特性
Vgs从-4V到+1V,间隔0.5V;Vds从0V到35V,间隔1V
Vgs从-4V到+1V,间隔0.5V;Vds从0V到35V,间隔1V
器件的交流(AC)特性可由跨导(gm)、电流增益截止频率(fT)和最大振荡频率(fmax)来描述。跨导可表示为
(7)其中,Ueff是器件有效电子速度,W是栅宽大小,h是势垒层高度。不同半导体器件的gm随栅极电压变化的特性不尽相同(如图4所示)。MESFET的gm相对平缓;HBT的gm特性则更陡峭,表现出较高的增益特性;与 GaAs pHEMT相比, Gan HEMT的gm特性呈现出非对称性,这与Gan HEMT器件结构及沟道电子速度特性密切相关。由式(7)可知,为了提高器件的gm特性,需提高器件的有效电子速率,通常需结合能带结构,加强沟道中电子的限制作用,减小散射;同时增大器件的纵横比(W/h),需增大栅宽、减小势垒层厚度,但栅宽增加会增大寄生电容,势垒层太薄也会增大栅极泄漏电流。因此,需要根据器件实际的应用范围,优化器件结构,达到最优的跨导特性。
图4 不同半导体器件gm特性
截止频率fT是短路小信号电流增益(h21)下降到单位1时的频率大小;最大振荡频率fmax是最大可用增益(MAG)下降到单位1时的频率。考虑器件的寄生特性,它们分别可用以下公式表示:
可以看出,要提高器件的fT和fmax,需尽可能地增大Ueff及gm特性,同时减小器件的寄生效应,这就需要从工艺和结构上加以控制。除了通过减小器件沟道长度Lg,减小电子在沟道中的输运时间,提高频率特性外(目前的Gan HEMT工艺已能做到20nm栅长),还使用多指结构,最小化栅极电阻,但栅指数增加也会增大电极间耦合电容,于是T型或T型栅成为常用结构,它通过小基足构成短栅长,同时用大横截面积,最小化栅极电阻和极间电容Cgd,从而提高器件的频率特性。