界面极化效应对AlGaN/4H-SiC HBT器件性能影响研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)浙江工业大学信息学院 作者:周守利

  AlGaN/4H-SiC异质结界面存在大的自发和压电极化效应,从而使界面出现较多数量的极化电荷,这导致器件电学性能的改变。利用热场发射-扩散模型,基于数值模拟方法研究了异质结界面极化效应产生的极化电荷对AlGaN/4H-SiC HBT器件直流性能和高频性能的影响。得到了AlGaN/4H-SiC异质结界面极化效应引诱的正极性极化界面电荷削弱了异质结的内建电场,加速了载流子的扩散运动,因而能促进载流子的输运,从而使器件的直流特性和高频特性得到改善。

  由于具有禁带宽、击穿场强高、饱和电子漂移速率高、化学性能稳定、抗辐射和强的极化效应等特性,以GaN和SiC为代表的第三代宽禁带半导体微波器件在高温、高频、高功率领域中被广泛看好,在航空航天、核能开发、卫星通信等领域有广阔的应用前景。不同于高电子迁移率晶体管(HEMT),异质结双极型晶体管(HBT)作为一种纵向结构的微波器件,具有更高的载流子调制和处理能力、较低的导通电阻、更好的线性度、更大的电流密度、低的相位噪声和更好的阈值电压稳定性,因此以宽禁带半导体材料为代表的AlGaN/GaN HBT和AlGaN/SiC HBT也越来越受到关注。但对于GaN基HBT,由于基区GaN常采用的p型掺杂剂为Mg,而Mg是深能级受主,在室温下不完全电离,因而为了保证一定的载流子空穴浓度需要求很高的掺杂浓度,而对于GaN的p型高掺杂工艺难度很大,因此目前实验制备得到的AlGaN/GaNHBT性能并不理想。相比之下,人们越来越看好AlGaN/SiC HBT,这是因为:SiC是一种导热系数比一般金属还好的宽禁带半导体材料,因此SiC非常适合用作于高温大功率HBT器件的集电区和衬底;SiC是间接带隙的半导体,具有比直接带隙GaN半导体材料有更长的少数流子寿命,因此可以得到更好的增益;SiC的p型掺杂浓度可很高,是HBT基区重掺杂和良好的欧姆接触所需要的。而且需提及的是SiC无论是作为半绝缘衬底还是外延层,国外目前都已走向商业化。

  然而对AlGaN/SiCHBT器件的界面特性和载流子输运机理的认识还不够充分,特别是器件的制作工艺还处于前期探索,因此对AlGaN/SiCHBT器件的研究还处于初级阶段。研究表明,AlGaN/SiC异质结界面存在很强的自发极化和压电极化效应,在界面处将存在足够数量的极化电荷,有实验测试表明,当极化效应产生的极化电荷表现为正电荷空穴气能促进宽禁带HBT基区侧边电流的传输,同时可被用来改善基区台面欧姆接触电阻。

  本文基于突变HBT的热场发射-扩散模型,对异质结界面极化效应对AlGaN/4H-SiC HBT器件的直流和高频性能的影响做了仿真分析,以为器件的工艺制造提供理论参考。

1、物理模型

  对于突变AlGaN/4H-SiC HBT的计算,采用热场发射-扩散(Thermionic-Field-Diffusion)模型,即在体区域内求解漂移-扩散模型所构成的基本方程,而在突变界面处考虑热场发射的边界条件。

  在体区域内漂移-扩散模型所构成的基本方程为Possion方程和电子及空穴连续性方程:

Possion方程和电子及空穴连续性方程

3、结束语

  宽禁带半导体AlGaN/SiC异质结材料系有独特的优点,相应的HBT器件拥有在高温、高压和抗辐射等极端环境下高频大功率工作的优越性,但由于Al-GaN/SiC异质结界面能带结构特性还处在研究之中,相应的HBT工艺制备的困难,目前对AlGaN/SiC HBT研究还处于初级阶段,实验测试数据远不够完善,论文理论上研究了极化效应对AlGaN/4H-SiC HBT器件的影响,得到的结论为器件的工艺制备提供理论参考。

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