分布抑制电流崩塌
杜江锋，罗大为，罗 谦，卢盛辉，于 奇，杨谟华
(电子科技大学微电子与固体电子学院电子薄膜与集成器件国家重点实验室，成都 610054) 摘要：基于带场板GaN H EM T器件物理模型和电流崩塌效应机理，通过仿真优化场板结构参数调制沟道中二维电子气温度分布，以达到抑制器件电流崩塌目的。研究表明，优化场板长度及绝缘层厚度能有效降低沟道电子峰值温度。对于外加源漏电压为100V，栅长0.5μm，栅漏间距2μm的GaN H EM T器件，获得了场板长度与绝缘层厚度优值分别为1μm和0.5μm，其沟道电子峰值温度比无场板时下降了47%。并研究确定了场板长度优值与栅漏距以及绝缘层厚度与漏压的数学关系模型。
关键词:GaN高电子迁移率晶体管；沟道电子温度；场板；电流崩塌
中图分类号:TN323.4 文献标识码:A 文章编号:1003-353X(2008)增刊-0105-04
T emperature Distribution of Channel E lectron in Field2Plated
G a N HEMT for R eduction of Current Collapse
Du Jiangfeng,L uo Dawei,L uo Qian,L u Shenghui,Yu Qi,Yang Mohua (S tate Key L aboratory of Elect ronic T hin Films and I nteg rated Devices,School of Microelect ronics and
S oli d2S tate Elect ronics,Universit y of Elect ronic S cience and Technolog y of China,Cheng du610054,China)
Abstract:Based on p hysics models of field2plated GaN2based high elect ron mobility transistors (H EM T)and current collap se mechanism,t he temperat ure dist ribution of channel two dimen2 sion electro n gas(2DEG)was optimized by modulating t he struct ure parameters of field plate by means of numerical device simulations for t he reduction of current collap se.It is found t hat t he optimization of field2plate lengt h and insulator t hickness t ox can reduce effectively t he channel e2 lect ron peak temperat ure.For t he gate lengt h0.5μm and gate2drain spacing2μm GaN2based H EM T,t he optimum of field2plate lengt h and insulator t hickness t ox is1μm and0.5μm,re2 spectively,and t he channel elect ron peak temperat ure goes down47%comparing wit h t he non2 field2plated GaN2based H EM T.And t he mat hematic relation models between field2plate lengt h optimum and gate2drian spacing,as well as between insulator t hickness optimum and drain vol2 tage,are obtained by means of numerical device simulations.
K ey w ords:GaN H EM T;channel elect ron temperat ure;field plate;current collap se EEACC:2560S
0 引 言
Al GaN/GaN H EM T因其禁带宽、饱和速度高、大击穿电场及稳定的热性能等优点而具有广阔的高功率应用前景。然而,Al GaN/GaN H EM T 在大功率条件下应用时，由于外加源漏电压很高,
GaN
展示架制作器件特性会表现出电流崩塌效应[1-2]而导致器件性能降低，影响其实际应用的前景。研究表明，器件中的表面态、势垒层陷阱及缓冲层陷阱俘获沟道二维电子气(2D EG)被认为是导致电流崩塌的主要原因[3-5]。目前常用解决办法是对器件进行表面钝化处理并采用场板结构[6-7]，提高器件耐压能力，并在一定程度上减小器件电流崩塌效应。但如何从器件结构和物理机理根源角度解释并抑制电流崩塌效应仍存在一些不同观点。
作者通过对GaN H EM T器件进行大量电流崩塌实验观测和全面的仿真分析研究表明，在很高的源漏电压下,GaN H EM T器件中沟道2DEG在漏端栅边沿沟道电子温度非常高，而电子温度是对电子平均动能的度量，由于沟道中电子热运动速度和能量均很高，导致器件工作时沟道电子向势垒层和缓冲层
中的隧穿概率加大，引发电流崩塌效应。本文通过优化器件场板结构参数，优化电场分布，调节沟道2DEG峰值温度以降低电子能量，减少隧穿电子的数量。通过全面分析场板长度及场板下的绝缘层厚度对沟道电子温度的影响，优化场板结构参数使沟道电子温度尽可能降低，从而达到抑制GaN H EM T器件电流崩塌效应的目的，为器件设计和工艺实验提供明确的理论指导。
1 器件结构与模型
采用的带场板GaN基H EM T器件结构如图1所示，场板与栅极相连接，器件表面和场板之间为绝缘层材料，其作用主要为器件进行钝化处理，并使器件在外加源漏电压V DS下栅漏之间电力线在场板作用下重新分布，同时调制沟道中2DEG的温度分布情况。
器件结构包括：半绝缘SiC衬底，非故意掺杂GaN缓冲层其厚度为2μm,Al组分0.2的掺杂浓度为2×1017cm-3的Al G aN势垒层其厚度为30nm。在Al GaN/GaN界面其固定正电荷面密度设定为典型值1×1013cm-2，器件栅长L G为0.5μm，栅源L GS和栅漏L G D间距分别为1μm和2μm，栅宽1mm，场板结构中需要优化的参数分别为场板长度L FP和绝缘层厚度t ox。
利用ISE2D ESSIS仿真软件进行器件特性的二维数值模拟分析，仿真主要利用异质结器件的漂移2扩散传输模型和热电子发射模型
。
图1 场板结构GaN HEM T器件示意图
Fig.1 Cross section structure of simulated G aN HEMT with field plate
2 结果分析与讨论
为了确定GaN H EM T器件在大功率高源漏电压条件下抑制电流崩塌效应的场板结构优化方案，仿真分析中器件源极接地，在栅极与场板短接其电压为-2V以及源漏电压为100V条件下分析了场板长度L FP和绝缘层厚度t ox对沟道中电子温度分布的影响。深入全面分析如何确定场板长度和绝缘层厚度以使器件的沟道电子温度分布最优化。
首先将场板长度L FP固定为1.2μm，绝缘层厚度t ox从0.1μm变化到1μm，步长为0.1μm。图2所示为不同绝缘层厚度条件下器件沟道电子温度的横向分布，图中各曲线之间步长为0.2μm。研究发现当绝缘层厚度足够薄时，沟道电子温度在栅边沿和场板边沿同时出现峰值，此时电子温度有很大降低
。
图2 场板长度一定绝缘层厚度变化时沟道电子温度分布Fig.2 Simulated relation between channel electron temperature and insulator t hickness for a given field plate lengt h
杜江锋 等：优化场板G aN H EM T沟通电子温度分布抑制电流崩塌
由图2还可知，在绝缘层厚度t ox 很小时，虽然栅边沿的电子温度与无场板时相比有很大程度的下降，但场板边沿的电子温度却很高，此时场板结构对沟道电子峰值温度的降低作用并不明显。随着绝缘层厚度t ox 增加，栅边沿的沟道电子峰值温度逐渐增加而场板边沿的电子峰值温度逐渐降低。绝
缘层厚度t ox 从0.2μm 增加到0.6μm 时，栅边沿的峰值电子温度从21600K 升高到了33989K ，增加了57%，而此时场板边沿的峰值电子温度从
46932K 降低到了29272K ，减小了38%。
由图3所示可知，在绝缘层厚度t ox 等于0.5μm 时，栅边沿和场板边沿的电子温度基本达到一致，此时沟道电子温度比无场板时降低了47%。此后栅边沿电子温度随绝缘层厚度t ox 增加继续升高，在绝缘层厚度t ox 从0.5μm 增加到1μm 的过程中，栅边沿的峰值电子温度升高了29%，而场板边沿的峰值电子温度随t ox 增加继续降低，但其变化较为平缓。当绝缘层厚度t ox 为1μm 时，场板边沿的峰值电子
温度与0.5μm 时相比仅降低了16.5%。由此可知，当栅边沿和场板边沿的电子峰值温度基本一致时的绝缘层厚度t ox 均可视为最优值，因为在此t ox 值及其附近的栅边沿和场板边沿的电子温度都基本相等且远小于无场板时的电子温度。由此可以确定绝缘层厚度t ox 的最优值应为0.5μm
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motionjpeg。
图3 栅边沿和场板边沿电子温度随绝缘层厚度的变化曲线
Fig.3 Channel electron peak temperature as a function of
蝇蛆蛋白
insulator thickness t ox at the gate edge and field 2plate edge ,respectively ,for a given field plate lengt h
接着，将绝缘层厚度固定为其最优值0.5μm ，研究不同场板长度时器件沟道电子温度的变化，以
确定场板长度的最优取值。图4所示为场板长度L FP 分别为0.2、0.6、1、1.4μm 以及无场板时器件沟道电子温度的横向分布仿真结果。可知，当
L FP 很小时，器件沟道电子温度的峰值位置从栅边
沿移到了场板边沿，此时电子温度下降不明显；而当L FP 较大时，沟道电子温度在栅边沿和场板边沿同时出现峰值，此时电子温度有明显降低
。
图4 绝缘层厚度一定场板长度变化时沟道电子温度分布
Fig.4 Simulated relation between channel electron temperature
and t he field plate lengt h L FP for a given insulator t hickness
从图5还可看出，当L FP 为1μm 时，栅边沿的电子温度与无场板时相比下降了47%，降幅接近一半；而当L FP 从1μm 变化到1.8μm 的过程中栅边沿的电子温度仅有6.2%的下降。对于场板边沿的电子温度，当L FP 从0.2μm 变化到1μm 时
,
图5 栅边沿和场板边沿峰值电子温度随场板长度的变化
Fig.5 Channel electron peak temperature as a function of field
plate lengt h L FP at t he gate edge and field 2plate edge ,respectively ,for a given insulator t hickness
杜江锋 等：优化场板G aN H EM T 沟通电子温度分布抑制电流崩塌
场板边沿的电子温度降低了42%；而当L FP从1μm变化到1.8μm时，场板边沿的电子温度却升高了7.5%，由此可以确定，场板长度L FP的最优值为1μm。
最后，对栅漏距为2μm的GaN H EM T器件在不同的源漏电压条件下进行沟道电子温度分布优化。分析表明，不论源漏电压大小如何变化，其场板长度的优值基本不变，而绝缘层厚度的优值则随漏压的不同而有所变化。
通过仿真分析了不同栅漏间距及源漏电压对场板结构优值的影响。当源漏电压V DS=100V时，不同栅漏间距L G D时GaN基H EM T器件所对应的场板长度L FP优值，通过模拟分析研究，可得到场板长度L FP最优值与器件栅漏距之间存在近似线性的数学模型
L FP=-0.23+0.80L G D(1)进一步研究发现，在相同的源漏电压下，器件栅漏距变化对绝缘层厚度优值几乎没有影响。但是当外加漏电压增加时，绝缘层厚度t ox的优值亦呈线性增加，通过模拟分析已获得其数学模型为
t ox=-0.034+0.0052V DS(2) 3 结 论
基于GaN基H EM T器件场板结构物理模型，深入分析了器件产生电流崩塌效应的物理根源。研究发现，通过优化场板结构特征参数，可以明显降低GaN基H EM T器件中沟道电子峰值温度，进而减少进入缓冲层或势垒层而被表面态或体陷阱俘获的沟道热电子数量，从而达到抑制器件电流崩塌效应。对给定的栅漏距为2μm和源漏电压100V的GaN H EM T器件，通过仿真分析，确定了在一定的源漏电压下的场板长度与绝缘层厚度优值分别为1μm和0.5μm，沟道电子峰值温度比无场板时下降了47%。
进一步分析可知，在漏压一定时,GaN H EM T器件的场板长度优值随栅漏距的增加而线性增加，而器件栅漏距变化对绝缘层厚度优值几乎没有影响；当场板长度一定时，绝缘层厚度优值随源漏电压增加呈线性增加，分别获得了场板长度优值与栅漏距以及绝缘层厚度与漏压的数学关系模型。
参考文献:
[1] L EE C,TSERN G H,WIT KOWSKI L,et al.Effect s of RF
wifi室内定位
stress on power and pulsed IV characteristics of Al GaN/GaN
H EM Ts wit h field2plate gates[J].IEE Electronics Letters,
2004,40(24):1547-1548.
[2] KOUD YMOV A,SIMIN G,KHAN M A,et al.Dynamic
current2voltage characteristics of III2N HFETs[J].IEEE E2 lectron Device Letters,2003,24(11):680-682.
[3] V ETU R Y R,ZHAN G N Q,KELL ER S,et al.The impact
of surface states on t he DC and RF characteristics of Al GaN/
GaN HFETs[J].IEEE Trans Electron Devices,2001,48
环网(3):560-566.
[4] HASEGAWA H,INA GA KI T,OO TOMO S,et al.Mech2
anisms of current collapse and gate leakage current s in Al GaN/
GaN heterostructure field effect transistors[J].J Vac Sci Technol B,2003,21(4):1844-1853.
[5] BINARI S,IKOSSI K,ROUSSOS J A,et al.Trapping
effect s and microwave power performance in Al GaN/GaN
H EM Ts[J].IEEE Trans on Electron Devices,2001,48
(3):465-471.
[6] KARMAL KAR S,SHU R M S,SIMIN G,et al.Field2plate
engineering for HFETs[J].IEEE Trans on Electron Devices,2005,52(12):2534-2540.
[7] KARMAL KAR S,SOUDABI N.A closed2form model of t he
drain2voltage dependence of t he off2state channel elect ric field in a H EM T wit h a field plate[J].IEEE Trans on Electron Devices,2006,53(10):2430-2437.
(收稿日期:2008211230
)
杜江锋 等：优化场板G aN H EM T沟通电子温度分布抑制电流崩塌
