新型Al组分渐变结构的N极性GaN基HEMT中二维电子气研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)河北工业大学信息工程学院 作者:王现彬

  提出了一种含有AlN 插入层的新型Al 组分渐变的N 极性GaN 基高电子迁移率晶体管( HEMT) 结构,并通过自洽求解一维薛定谔方程和泊松方程,仿真研究了该新型N 极性HEMT 结构的二维电子气特性。结果表明采用该新型N 极性HEMT 结构其体载流子浓度峰值与普通Al 组分渐变N 极性HEMT 结构相比提高了12%。同时定义了Al 组分从大到小渐变层和从小到大渐变层厚度之比R 及最大值xmax,仿真表明二维电子气面密度随R 增大而减小,而xmax超过0.4 后二维电子气面密度出现饱和趋势。

  N 极性(N-polar) GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT) 与传统的Ga 极性(Ga-polar) GaN 基HEMT相比,在高频大功率微波晶体管应用中以低接触电阻及高二维电子气(2DEG) 限阈性等优势日益受到相关研究者的重视,且在频率及功率特性方面已逐渐可以和Ga 极性HEMT 器件性能相比拟。

  在N 极性HEMT 文献报道中,对GaN/AlGaN异质结中的AlGaN天然背势垒层除进行Si 掺杂以提高GaN 沟道层中的2DEG 面密度及稳定性外,一般还进行Al 组分渐变式处理,其目的是减小HEMT器件的电流崩塌效应。Rajan S 等研究认为在N 极性GaN 基HEMT 中的AlGaN 背势垒层和GaN 缓冲层所构成的异质结处,靠近价带顶附近存在一个施主型陷阱能级,由于陷阱能级离费米能级较近,且施主能级释放和捕获电子速度较慢,从而引起电流崩塌。通过对AlGaN 背势垒层进行Al 组分渐变处理后,可以使价带顶和陷阱能级远离费米能级,从而使施主型陷阱能级变成深能级,最终减小电流崩塌效应。

  提高异质结中的2DEG 面密度及迁移率对提高器件电流处理能力至关重要,增大AlxGa1 - xN 中的Al 组分x 及Al 组分渐变范围可以提高N 极性GaN/AlGaN 异质结中的2DEG 面密度,但这会降低异质结界面材料质量,从而影响2DEG 迁移率。

  为了在提高N 极性GaN 基HEMT 2DEG 面密度的同时降低对2DEG 迁移率的影响,提出了一种新型的Al 组分渐变结构,通过自洽求解薛定谔方程和泊松方程分析并研究了相关参数对该新型结构中2DEG 行为特性的影响,期望为实际N 极性材料与器件结构设计提供一些有益帮助。

  结论

  提出了一种含有AlN 插入层的新型Al 组分渐变的N 极性GaN 基HEMT 结构。通过自洽求解一维薛定谔方程和泊松方程,首先仿真研究了不含AlN 插入层时的无Al 组分渐变、普通Al 组分渐变和新型Al 组分渐变的三种N 极性GaN 基HEMT 结构的2DEG 行为特性。结果表明该新型Al 组分渐变的N 极性HEMT 结构其总2DEG 面密度最大,但GaN/AlGaN 异质结中的2DEG 面密度较低,限阈性也较差。引入1 nm AlN 插入层后,该新型N 极性HEMT 结构的体载流子浓度峰值与普通Al 组分渐变N 极性HEMT 结构相比增加了12%,而2DEG 限阈性也得到了有效提高。同时定义了Al 组分的从大到小渐变层和从小到大渐变层厚度之比R 和最大值xmax,分析表明2DEG 面密度随R 增大而减小,而xmax超过0.4 后2DEG 面密度逐渐趋于饱和。

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