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具有部分本征GaN帽层新型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管特性分析

郭海君 段宝兴 袁嵩 谢慎隆 杨银堂

具有部分本征GaN帽层新型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管特性分析

郭海君, 段宝兴, 袁嵩, 谢慎隆, 杨银堂
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  • 为了优化传统AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistors,HEMTs)器件的表面电场,提高击穿电压,本文提出了一种具有部分本征GaN帽层的新型AlGaN/GaN HEMTs器件结构.新型结构通过在AlGaN势垒层顶部、栅电极到漏电极的漂移区之间引入部分本征GaN帽层,由于本征GaN帽层和AlGaN势垒层界面处的极化效应,降低了沟道二维电子气(two dimensional electron gas,2DEG)的浓度,形成了栅边缘低浓度2DEG区域,使得沟道2DEG浓度分区,由均匀分布变为阶梯分布.通过调制沟道2DEG的浓度分布,从而调制了AlGaN/GaN HEMTs器件的表面电场.利用电场调制效应,产生了新的电场峰,且有效降低了栅边缘的高峰电场,AlGaN/GaN HEMTs器件的表面电场分布更加均匀.利用ISE-TCAD软件仿真分析得出:通过设计一定厚度和长度的本征GaN帽层,AlGaN/GaN HEMTs器件的击穿电压从传统结构的427 V提高到新型结构的960 V.由于沟道2DEG浓度减小,沟道电阻增加,使得新型AlGaN/GaN HEMTs器件的最大输出电流减小了9.2%,截止频率几乎保持不变,而最大振荡频率提高了12%.
      通信作者: 段宝兴, bxduan@163.com
    • 基金项目: 国家重点基础研究发展计划(批准号:2014CB339900,2015CB351900)和国家自然科学基金重点项目(批准号:61234006,61334002)资助的课题.
    [1]

    Tham W H, Ang D S, Bera L K, Dolmanan S B, Bhat T N, Lin V K, Tripathy S 2016 IEEE Trans. Electron. Dev. 63 345

    [2]

    Ambacher O, Smart J, Shealy J R, Weimann N G, Chu K, Murphy M, Schaff W J, Eastman L F, Dimitrov R, Wittmer L, Stutzmann M, Rieger W, Hilsenbeck J 1999 J. Appl. Phys. 85 3222

    [3]

    Yu E T, Dang X Z, Asbeck P M, Lau S S, Sullivan G J 1999 J. Vac. Sci. Technol. B 17 1742

    [4]

    Huang X, Liu Z, Li Q, Lee F C 2014 IEEE Trans. Power Electron. 29 2453

    [5]

    Karmalkar S, Mishra U K 2001 IEEE Trans. Electron. Dev. 48 1515

    [6]

    Okamoto Y, Ando Y, Nakayama T, Hataya K, Miyamoto H, Inoue T, Senda M, Hirata K, Kosaki M, Shibata N, Kuzuhara M 2004 IEEE Trans. Electron. Dev. 51 2217

    [7]

    Saito W, Kuraguchi M, Takada Y, Tsuda K, Omura I, Ogura T 2005 IEEE Trans. Electron. Dev. 52 106

    [8]

    Wong J, Shinohara K, Corrion A L, Brown D F, Carlos Z, Williams A, Tang Y, Robinson J F, Khalaf I, Fung H, Schmitz A, Oh T, Kim S, Chen S, Burnham S, Margomenos A, Micovic M 2017 IEEE Electron Dev. Lett. 38 95

    [9]

    Karmalkar S, Deng J, Shur M S 2001 IEEE Electron Dev. Lett. 22 373

    [10]

    Nanjo T, Imai A, Suzuki Y, Abe Y, Oishi T, Suita M, Yagyu E, Tokuda Y 2013 IEEE Trans. Electron. Dev. 60 1046

    [11]

    Song D, Liu J, Cheng Z, Tang W C W, Lau K M, Chen K J 2007 IEEE Electron Dev. Lett. 28 189

    [12]

    Kato S, Satoh Y, Sasaki H, Masayuki I, Yoshida S 2007 J. Cryst. Growth 298 831

    [13]

    Polyakov A Y, Smirnov N B, Govorkov A V, Yugova T G, Markov A V, Dabiran A M, Wowchak A M, Cui B, Xie J, Osinsky A V, Chow P P, Pearton S J 2008 Appl. Phys. Lett. 92 042110

    [14]

    Hirose M, Takada Y, Tsuda K 2012 Phys. Stat. Sol. C 9 361

    [15]

    Treidel E B, Hilt O, Brunner F, Wrfl J, Tränkle G 2008 IEEE Trans. Electron. Dev. 55 3354

    [16]

    Udrea F, Popescu A, Milne W I 1998 Electron. Lett. 34 808

    [17]

    Duan B X, Yang Y T, Zhang B 2009 IEEE Electron Dev. Lett. 30 305

    [18]

    Duan B X, Yang Y T 2012 Sci. China:Inf. Sci. 55 473

    [19]

    Duan B X, Yang Y T 2012 Chin. Phys. B 21 057201

    [20]

    Duan B X, Yang Y T, Chen J 2012 Acta Phys. Sin. 61 247302(in Chinese)[段宝兴, 杨银堂, 陈敬2012物理学报61 247302]

    [21]

    Duan B X, Yang Y T 2014 Acta Phys. Sin. 63 057302(in Chinese)[段宝兴, 杨银堂2014物理学报63 057302]

    [22]

    Heikman S, Keller S, Wu Y, Speck J S, Denbaars S P, Mishra U K 2003 J. Appl. Phys. 93 10114

    [23]

    Baliga B J 2008 Fundamentals of Power Semiconductor Devices (New York:Springer) pp1-2

  • [1]

    Tham W H, Ang D S, Bera L K, Dolmanan S B, Bhat T N, Lin V K, Tripathy S 2016 IEEE Trans. Electron. Dev. 63 345

    [2]

    Ambacher O, Smart J, Shealy J R, Weimann N G, Chu K, Murphy M, Schaff W J, Eastman L F, Dimitrov R, Wittmer L, Stutzmann M, Rieger W, Hilsenbeck J 1999 J. Appl. Phys. 85 3222

    [3]

    Yu E T, Dang X Z, Asbeck P M, Lau S S, Sullivan G J 1999 J. Vac. Sci. Technol. B 17 1742

    [4]

    Huang X, Liu Z, Li Q, Lee F C 2014 IEEE Trans. Power Electron. 29 2453

    [5]

    Karmalkar S, Mishra U K 2001 IEEE Trans. Electron. Dev. 48 1515

    [6]

    Okamoto Y, Ando Y, Nakayama T, Hataya K, Miyamoto H, Inoue T, Senda M, Hirata K, Kosaki M, Shibata N, Kuzuhara M 2004 IEEE Trans. Electron. Dev. 51 2217

    [7]

    Saito W, Kuraguchi M, Takada Y, Tsuda K, Omura I, Ogura T 2005 IEEE Trans. Electron. Dev. 52 106

    [8]

    Wong J, Shinohara K, Corrion A L, Brown D F, Carlos Z, Williams A, Tang Y, Robinson J F, Khalaf I, Fung H, Schmitz A, Oh T, Kim S, Chen S, Burnham S, Margomenos A, Micovic M 2017 IEEE Electron Dev. Lett. 38 95

    [9]

    Karmalkar S, Deng J, Shur M S 2001 IEEE Electron Dev. Lett. 22 373

    [10]

    Nanjo T, Imai A, Suzuki Y, Abe Y, Oishi T, Suita M, Yagyu E, Tokuda Y 2013 IEEE Trans. Electron. Dev. 60 1046

    [11]

    Song D, Liu J, Cheng Z, Tang W C W, Lau K M, Chen K J 2007 IEEE Electron Dev. Lett. 28 189

    [12]

    Kato S, Satoh Y, Sasaki H, Masayuki I, Yoshida S 2007 J. Cryst. Growth 298 831

    [13]

    Polyakov A Y, Smirnov N B, Govorkov A V, Yugova T G, Markov A V, Dabiran A M, Wowchak A M, Cui B, Xie J, Osinsky A V, Chow P P, Pearton S J 2008 Appl. Phys. Lett. 92 042110

    [14]

    Hirose M, Takada Y, Tsuda K 2012 Phys. Stat. Sol. C 9 361

    [15]

    Treidel E B, Hilt O, Brunner F, Wrfl J, Tränkle G 2008 IEEE Trans. Electron. Dev. 55 3354

    [16]

    Udrea F, Popescu A, Milne W I 1998 Electron. Lett. 34 808

    [17]

    Duan B X, Yang Y T, Zhang B 2009 IEEE Electron Dev. Lett. 30 305

    [18]

    Duan B X, Yang Y T 2012 Sci. China:Inf. Sci. 55 473

    [19]

    Duan B X, Yang Y T 2012 Chin. Phys. B 21 057201

    [20]

    Duan B X, Yang Y T, Chen J 2012 Acta Phys. Sin. 61 247302(in Chinese)[段宝兴, 杨银堂, 陈敬2012物理学报61 247302]

    [21]

    Duan B X, Yang Y T 2014 Acta Phys. Sin. 63 057302(in Chinese)[段宝兴, 杨银堂2014物理学报63 057302]

    [22]

    Heikman S, Keller S, Wu Y, Speck J S, Denbaars S P, Mishra U K 2003 J. Appl. Phys. 93 10114

    [23]

    Baliga B J 2008 Fundamentals of Power Semiconductor Devices (New York:Springer) pp1-2

  • [1] 龚 敏, 李 潇, 张海英, 尹军舰, 刘 亮, 徐静波, 黎 明, 叶甜春. 磷化铟复合沟道高电子迁移率晶体管击穿特性研究. 物理学报, 2007, 56(7): 4117-4121. doi: 10.7498/aps.56.4117
    [2] 徐得名, 吕永良, 周世平. 光照下高电子迁移率晶体管特性分析. 物理学报, 2000, 49(7): 1394-1399. doi: 10.7498/aps.49.1394
    [3] 高宏玲, 李东临, 王宝强, 朱战平, 曾一平, 周文政, 商丽燕. 不同量子阱宽度的InP基In0.53GaAs/In0.52AlAs高电子迁移率晶体管材料二维电子气的性能研究. 物理学报, 2007, 56(8): 4955-4959. doi: 10.7498/aps.56.4955
    [4] 李加东, 程珺洁, 苗斌, 魏晓玮, 张志强, 黎海文, 吴东岷. 生物分子膜门电极AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)生物传感器研究. 物理学报, 2014, 63(7): 070204. doi: 10.7498/aps.63.070204
    [5] 周忠堂, 郭丽伟, 邢志刚, 丁国建, 谭长林, 吕 力, 贾海强, 陈 弘, 周均铭, 刘 建, 刘新宇. AlGaN/AlN/GaN结构中二维电子气的输运特性. 物理学报, 2007, 56(10): 6013-6018. doi: 10.7498/aps.56.6013
    [6] 刘红侠, 郝 跃, 张 涛, 郑雪峰, 马晓华. AlGaAs/InGaAs/GaAs赝配高电子迁移晶体管的kink效应研究. 物理学报, 2003, 52(4): 984-988. doi: 10.7498/aps.52.984
    [7] 马骥刚, 马晓华, 张会龙, 曹梦逸, 张凯, 李文雯, 郭星, 廖雪阳, 陈伟伟, 郝跃. AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管中kink效应的半经验模型. 物理学报, 2012, 61(4): 047301. doi: 10.7498/aps.61.047301
    [8] 任舰, 闫大为, 顾晓峰. AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管漏电流退化机理研究. 物理学报, 2013, 62(15): 157202. doi: 10.7498/aps.62.157202
    [9] 刘阳, 柴常春, 于新海, 樊庆扬, 杨银堂, 席晓文, 刘胜北. GaN高电子迁移率晶体管强电磁脉冲损伤效应与机理. 物理学报, 2016, 65(3): 038402. doi: 10.7498/aps.65.038402
    [10] 刘旭阳, 张贺秋, 李冰冰, 刘俊, 薛东阳, 王恒山, 梁红伟, 夏晓川. AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管温度传感器特性. 物理学报, 2020, 69(4): 047201. doi: 10.7498/aps.69.20190640
    [11] 李志鹏, 李晶, 孙静, 刘阳, 方进勇. 高功率微波作用下高电子迁移率晶体管的损伤机理. 物理学报, 2016, 65(16): 168501. doi: 10.7498/aps.65.168501
    [12] 龚 敏, 李 潇, 刘 亮, 张海英, 尹军舰, 李海鸥, 叶甜春. 一种新的磷化铟复合沟道高电子迁移率晶体管小信号物理模型. 物理学报, 2006, 55(7): 3617-3621. doi: 10.7498/aps.55.3617
    [13] 周幸叶, 吕元杰, 谭鑫, 王元刚, 宋旭波, 何泽召, 张志荣, 刘庆彬, 韩婷婷, 房玉龙, 冯志红. 基于脉冲方法的超短栅长GaN基高电子迁移率晶体管陷阱效应机理. 物理学报, 2018, 67(17): 178501. doi: 10.7498/aps.67.20180474
    [14] 刘静, 王琳倩, 黄忠孝. 基于凹槽结构抑制AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管电流崩塌效应. 物理学报, 2019, 68(24): 248501. doi: 10.7498/aps.68.20191311
    [15] 刘燕丽, 王伟, 董燕, 陈敦军, 张荣, 郑有炓. 结构参数对N极性面GaN/InAlN高电子迁移率晶体管性能的影响. 物理学报, 2019, 68(24): 247203. doi: 10.7498/aps.68.20191153
    [16] 王冲, 全思, 马晓华, 郝跃, 张进城, 毛维. 增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管高温退火研究. 物理学报, 2010, 59(10): 7333-7337. doi: 10.7498/aps.59.7333
    [17] 王凯, 邢艳辉, 韩军, 赵康康, 郭立建, 于保宁, 邓旭光, 范亚明, 张宝顺. 掺Fe高阻GaN缓冲层特性及其对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件的影响研究. 物理学报, 2016, 65(1): 016802. doi: 10.7498/aps.65.016802
    [18] 董世剑, 郭红霞, 马武英, 吕玲, 潘霄宇, 雷志锋, 岳少忠, 郝蕊静, 琚安安, 钟向丽, 欧阳晓平. AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件电离辐照损伤机理及偏置相关性研究. 物理学报, 2020, 69(7): 078501. doi: 10.7498/aps.69.20191557
    [19] 朱彦旭, 宋会会, 王岳华, 李赉龙, 石栋. 氮化镓基感光栅极高电子迁移率晶体管器件设计与制备. 物理学报, 2017, 66(24): 247203. doi: 10.7498/aps.66.247203
    [20] 郭亮良, 冯 倩, 郝 跃, 杨 燕. 高击穿电压的AlGaN/GaN FP-HEMT研究与分析. 物理学报, 2007, 56(5): 2895-2899. doi: 10.7498/aps.56.2895
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-04-11
  • 修回日期:  2017-06-05
  • 刊出日期:  2017-08-20

具有部分本征GaN帽层新型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管特性分析

  • 1. 西安电子科技大学微电子学院, 宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室, 西安 710071
  • 通信作者: 段宝兴, bxduan@163.com
    基金项目: 

    国家重点基础研究发展计划(批准号:2014CB339900,2015CB351900)和国家自然科学基金重点项目(批准号:61234006,61334002)资助的课题.

摘要: 为了优化传统AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistors,HEMTs)器件的表面电场,提高击穿电压,本文提出了一种具有部分本征GaN帽层的新型AlGaN/GaN HEMTs器件结构.新型结构通过在AlGaN势垒层顶部、栅电极到漏电极的漂移区之间引入部分本征GaN帽层,由于本征GaN帽层和AlGaN势垒层界面处的极化效应,降低了沟道二维电子气(two dimensional electron gas,2DEG)的浓度,形成了栅边缘低浓度2DEG区域,使得沟道2DEG浓度分区,由均匀分布变为阶梯分布.通过调制沟道2DEG的浓度分布,从而调制了AlGaN/GaN HEMTs器件的表面电场.利用电场调制效应,产生了新的电场峰,且有效降低了栅边缘的高峰电场,AlGaN/GaN HEMTs器件的表面电场分布更加均匀.利用ISE-TCAD软件仿真分析得出:通过设计一定厚度和长度的本征GaN帽层,AlGaN/GaN HEMTs器件的击穿电压从传统结构的427 V提高到新型结构的960 V.由于沟道2DEG浓度减小,沟道电阻增加,使得新型AlGaN/GaN HEMTs器件的最大输出电流减小了9.2%,截止频率几乎保持不变,而最大振荡频率提高了12%.

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