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李佳霖陈冲李超李家雨王旭（作者单位：吉林建筑大学）
随着科学技术的高速进步，以GaN 为代表的第三代半导
织物整理剂体材料凭借其高禁带宽度、高电子饱和速度、良好的工作稳定性等优点，在高温大功率、微波器件领域拥有越来越重要的地位.目前，由于F 等离子体注入技术对提升AlGaN/GaN HEMT 能够产生明显影响，因此，本文针对不同剂量氟等离子体处理对AlGaN/GaN 器件的栅下横向电场分布进行了仿真模拟。 一、常规AlGaN/GaN HEMT 器件基本结构
图1：常规AlGaN/GaN HEMT 器件基本结构
图1为常规AlGaN/GaN HEMT 器件基本结构，器件的成型步骤如下，第一、在蓝宝石或者SiC 的衬底层上上生长AlN 成核层，厚度大约在100nm 左右，GaN 材料异质外延易因晶格适配造成大量缺陷，成核层的引入，可以减少晶格适配带来的问题，为生长GaN 缓冲层做铺垫。第二，在AlN 成核层上生长1层1-3um 的GaN 作为器件的缓冲层，缓冲层一般用MOCVD 方法获得，第三，在GaN 缓冲层上生长一层约20nm 厚度的AlGaN 势垒层，AlGaN 和GaN 材料接触面由于极化作用，将产生高浓度的二维电子气。第四，在AlGaN 势垒层上面再次生长一层2-3nm 的GaN 帽层，帽层分为N 型和P 型两种，不能类别的帽层结构具有不同的作用。第五，图中的2DEG 指的是一种只能在AlGaN/GaN 异质结材料界面处自由移动的电子，在AlGaN/GaN 垂直的界面上不发生移动，正因为有2DEG 有只在平面移动的特性，GaN 基HEMT 才能进行工作。但在器件的实际工作中，由于外加偏压过大，AlGaN 表面不够洁净、Al-GaN 势垒层生长情况不理想、GaN 材料背景载流子浓度过大、在器件的制备过程中，器件沾染杂质离子，都会导致二维电子气不仅在只在AlGaN/GaN 异质界面中发生移动，也会在垂直于AlGaN/GaN 的异质结界面发生移动，形成反向栅泄露电流，泄露电流形成的原理有很多中，例如陷阱电荷辅助遂川，直接遂川等都会降低AlGaN/GaN HEMT 器件的击穿电压，影响器件的性能和工作功率。第七、图中的S 为器件的源极，G 为器件的栅极，D 为器件的漏极，栅极主要用于控制器件的关断，当栅极端接负电压时候，二维电子气将被排除出沟道，无论漏端电压多大，器件也不会 菜罩
形成从S 极到D 极的电子定向移动，器件处于关断状态，最小的关断电压我们称其为阈值电压。当栅极接正向电压时，负电性的电子将在异质结极化层处大量堆积，器件处于开启状态，此时在S 端和D 端外加偏压，电子将发生定向移动，形成电流。保持SD 端的漏电压不变，随着G 端电压的不断增加，二维电子气浓度将不断提升，源漏间的电流将提高。环境模拟舱
二、不同剂量氟等离子体处理对栅下电场强度的影响常规器件的栅电极制作完成之后，结构上栅极位置与其正下方的耗尽层相互垂直，外加栅极电压后，耗尽层中的栅极电场线同样与耗尽层垂直，当器件处于工作状态时，由于源漏间存在偏压，极靠近源漏偏压的边缘处，耗尽层边界电场线将
发生严重的弯曲，且曲率很大。造成的结果为电场线密集的向
栅电极边缘集中，相同的偏压下，栅极边缘处耗尽层的峰值电场远远大于栅极正下方耗尽层的峰值电场，由于电场强度增大，栅极附近陷阱电荷增强，同时耗尽层内电子能量增强，碰撞电离率升高，且电子有足够的运动距离用于其加速，器件在源、漏间发生雪崩击穿的概率将大大提高。
为研究不同剂量氟处理对栅下横向电场分布的影响，本次仿真实验的主要步骤如下：第一，通过Sivaco 软件编写程序模拟出AlGaNGaN HEMT 器件的基本结构并设定器件的模型参数，器件的基本尺寸为栅长为0.5um，源漏间距为3.5um，栅漏间距为2.5um，钝化层厚度暂定为0nm。第二，在Al-GaN/GaN HEMT 器件的模型中调入业界已经成熟应用的程序模型，主要包括二维电子气模型，迁移 率模型、载流子生成-复合模型、碰撞电离模型，雪崩击穿等模型等。第三，将器件的二维电子气浓度用界面态设置为1013量级，F 等离子体注入的位置设置在栅下0.4um-1um 的范围内，F 注入的剂量分别为1.0-2.5×1012cm -3。
图二：不同剂量F 等离子体处理对栅下电场分布的影响
仿真结果如图所示，随着氟注入剂量的不断增加，F 处理长度的不断增强，栅下横向电场的峰值也不断地随之降低，无
氟注入的常规器件与氟注入剂量为2.5×1012cm -3
，的器件相比，场强峰值由3×106v/cm 降到了2×106v/cm，降幅达到30%左右，这说明栅边缘的电场线被有效的分散，栅漏间的横向电场强度变得更为平缓。本次仿真实验，不同的F 离子注入计量对应不同的F 处理长度，但单位长度内F 离子处理的计量是恒定的，分析其原因，F 等离子注入，一方面在栅下引入和大量的负电荷，这使得栅下横向电场分布更加均匀，另一方面，F 等离子体注入的过程可以清洁AlGaN 势垒层表面，减小其表面态，使器件表面更加光滑，从而减小栅反向泄露电流，从而提升器件的击穿电压。但虽然F 等离子体处理长度增加有助于分撒栅极电场分布，但过多的F 离子引入有可能造成不同程度的刻蚀损伤，这将不利于器件的稳定和功率特性。
三、结语
相比于第一代，第二代半导体材料，第三代半导体材料器件AlGaN/GaN HEMT 凭借其优良的材料特性，目前已经得到越来越广泛的关注和研究，如何提高GaN 器件的击穿特性，成为广泛研究焦点，适量F 等离子体注入技术不仅能够分散栅下电场分布，进而提升器件的击穿电压，应该展开进一步的研究。
注：本文受吉林建筑大学大学生创新创业项目《不同剂量氟处理对GaN 基器件横向电场分布影响研究》
资助
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