论文推介丨AlN/β-Ga₂O₃ HEMT直流特性仿真

β-Ga2O3具有禁带宽度宽、击穿电场强度高、电子饱和速度大等优点，虽然β-Ga2O3的极性光学声子散射使其电子迁移率远远低于GaN的电子迁移率，但是β-Ga2O3的高击穿电场强度使其巴利伽优值较大，因此在大功率高频器件的应用中，β-Ga2O3具有更低的功率损耗和更高的转换效率。

近日，西安理工大学自动化与信息工程学院贺小敏等在《人工晶体学报》2024年第5期发表了题为《AlN/β-Ga2O3 HEMT直流特性仿真》的研究论文。该论文利用器件仿真软件对AlN/β-Ga2O3高电子迁移率晶体管(HEMT)器件的直流特性进行研究。AlN具有很强的极化效应，可以在AlN/β-Ga2O3异质结界面处产生高浓度二维电子气(2DEG)，使AlN/β-Ga2O3异质结基HEMT具有更加优越的器件性能。理论计算得到AlN/β-Ga2O3异质结界面处产生的面电荷密度为2.75×1013 cm-2。文章通过分析器件的能带结构、沟道电子浓度分布，研究AlN势垒层厚度、栅极长度、栅漏间距,以及金属功函数等参数对器件转移特性和输出特性的影响。

论文题录●●

贺小敏, 唐佩正, 张宏伟, 张昭, 胡继超, 李群, 蒲红斌. AlN/β-Ga2O3 HEMT直流特性仿真[J]. 人工晶体学报, 2024, 53(5): 766-772.

HE Xiaomin, TANG Peizheng, ZHANG Hongwei, ZHANG Zhao, HU Jichao, LI Qun, PU Hongbin. Simulation on DC Characteristics of AlN/β-Ga2O3 HEMT[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2024, 53(5): 766-772.

//文章导读

AlN/β-Ga2O3 HEMT器件结构如图1所示，衬底材料为β-Ga2O3，源极长度(ls)、漏极长度(ld)和栅极长度(lg)均为0. 5 μm，栅源间距(lgs)为1 μm，栅漏间距(lgd)为2 μm。AlN势垒层厚度为10 nm，β-Ga2O3缓冲层厚50 nm。

图1　AlN/β-Ga2O3 HEMT结构图

AlN势垒层厚度(tAlN)是HEMT器件的重要结构参数，对器件的能带结构、2DEG密度有影响。仿真过程中漏源电压(VDS)设置为15 V，tAlN分别为10、15、20和25 nm。不同AlN势垒层厚度的器件特性如图2所示。

图2　不同AlN势垒层厚度器件特性

从图2(a)所示的转移特性曲线可以看出，势垒层厚度为10、15、20和25 nm时，器件阈值电压分别为-3.7、-6.3、-8.8 和-11.4 V，表明随着AlN势垒层厚度的增大，曲线向负向移动，阈值电压减小。从图2(b)可以看出，随着AlN势垒层厚度的增加，沟道电子浓度持续增加。同时，从图2(a)中可以发现，跨导(Gm)随着势垒层厚度而变化，最大跨导分别为271、251、228和217 mS/mm。随着AlN势垒层厚度的增加，最大跨导减小，这说明栅极电压对输出电流的控制能力减弱。从图2(c)输出特性曲线可以看到，当AlN厚度为10、15、20、25 nm时，饱和漏电流(IDsat)分别为0.8、1.3、1.8、2.2 A/mm。这说明随着AlN厚度的增加，饱和漏电流增大。从上述分析可得，AlN即使未经掺杂，也可以在AlN/β-Ga2O3异质结处β-Ga2O3一侧形成浓度高达1020 cm-3量级的电子气。调控AlN势垒层厚度，可以调节异质结界面处的能量阱深度和沟道电子浓度，从而实现对阈值电压的调控。

AlN/β-Ga2O3 HEMT的栅极长度(lg)对器件直流特性的影响如图3所示。仿真过程中漏源电压(VDS)设置为15 V，lg分别为0. 1、0. 3、0. 5、0. 7、0. 9 μm，同时为了保持器件横向尺寸不变，不同栅极长度对应的栅漏间距(lgd)分别为2. 4、2. 2、2. 0、1. 8、1. 6 μm。

图3　不同栅极长度器件特性

从输出特性曲线得到，栅长分别为0. 9、0. 7、0. 5、0. 3、0. 1 μm 时，导通电阻分别为6. 8、6. 6、6. 4、6. 2、6. 0 Ω·mm。导通电阻随栅长的缩短而减小，这是由栅下沟道电子浓度增加使栅极电阻减小引起的。从输出特性曲线还可以看出，当栅极长度较长时，器件饱和漏电流(IDsat)基本保持不变，但随栅极长度缩短至0.1 μm时，器件的漏极饱和电流随着漏源电压(VDS)的增大而增大。即器件的输出电导随栅极长度的缩短而增大，导致器件的饱和特性变差，表明器件出现了短沟道效应。

AlN/β-Ga2O3 HEMT器件栅极位置对器件直流特性的影响如图4所示。固定栅极长度为0.3 μm，漏源电压(VDS)设置为15 V，栅漏间距(lgd)分别为1.7、2.2、2.7 μm，对应的栅源间距(lgs)分别为1. 5、1. 0、0. 5 μm。

图4　不同栅漏间距的器件特性

从图4(a)转移特性曲线可以看出，不同栅漏间距的阈值电压均为-3.8 V。阈值电压不随栅漏间距的变化而变化。栅源电压(VGS)设置为0 V，栅漏间距(lgd)分别为1.7、2.2、2.7 μm时，输出特性如图4(b)所示。从输出特性曲线可以得到，栅漏间距(lgd)分别为1.7、2.2、2.7 μm时，饱和漏电流分别为0.8、0.9、1.2 A/mm。器件的漏极电流与沟道电子浓度和沟道电子速度成正比。随栅漏间距的增加，沟道区电子浓度不变，而电子速度略有增加，因此饱和漏电流增大，如图4(c)和(d)所示。

本节通过改变栅金属的功函数(Wm)探究肖特基栅金属类型对器件直流特性的影响。设置肖特基栅金属功函数分别为5.15、5.46 和5.65 eV，得到的器件特性如图5所示。

图5　不同栅金属功函数器件特性

从图5(a)转移特性曲线可以看出，肖特基栅金属功函数分别为5.15、5.46和5.65 eV时，阈值电压分别为-3.8、-3.3和-2.8 V。从阈值电压的表达式可以看出，肖特基栅金属功函数的增加会增大阈值电压。从图5(b)输出特性曲线可以看出，肖特基栅金属功函数分别为5. 15、5.46和5. 65 eV时，最大饱和漏电流分别为1.2、1.0和0.8 A/mm。肖特基栅金属与AlN势垒层接触时，由于AlN势垒层的费米能级高于栅金属的费米能级，AlN势垒层中的电子会向金属流动，使AlN势垒层表面带正电，金属表面带负电，形成从AlN指向金属的电场，加强了极化电场。肖特基栅金属与AlN费米能级之差越大，AlN表面的电场越强，对极化的加强作用越大，AlN能带倾斜程度越大，如图5(c)所示。能带倾斜越大，类施主表面态电离程度越小，为沟道提供的2DEG浓度越小，如图5(d)所示。

结论

本文通过理论计算得到在自发极化和压电极化的共同作用下，AlN/β-Ga2O3异质结界面产生的面密度电荷为2.75×1013 cm-2，这与AlGaN/GaN HEMT器件2DEG面密度在同一数量级。然后，围绕AlN/β-Ga2O3 HEMT器件的直流特性展开研究，通过对AlN势垒层厚度、栅极长度、栅极位置和肖特基栅金属类型的电学分析得到：器件的跨导随AlN势垒层厚度的增加、栅极长度的缩短和栅漏间距的增长而逐渐增大，其中栅极长度对其影响最大；随肖特基栅金属功函数的增大，器件的阈值电压向正向漂移，饱和漏电流减小。研究器件结构参数对器件性能的影响，为后续器件的设计和改进提供了理论依据。

来源：人工晶体学报

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