影响AlGaN/GaN/AlGaN HEMT器件2DEG的因素

贵阳学院电子与通信工程学院 张子砚

1 引言

近年来，AlGaN/GaN异质结界面由于极化效应形成了高密度、高迁移率的二维电子气（2DEG），其构成的器件性能优良而被广泛研究应用。而AlGaN/GaN单异质结中，若沟道被夹断，电子气密度将会趋于零，GaN缓冲层一侧的势垒消失，能带也拉平，电子气在基态波函数扩展的很宽的范围内将几乎完全失去二维特性，其迁移率会大大降低，电学性能变差。而AlGaN/GaN/AlGaN双异质结构，由于在GaN的另一侧加入了Al组分较低的AlGaN背势垒，提高了缓冲层一侧的势垒，增强了沟道量子阱中电子气的限制，从而提高了HEMT器件的夹断特性及输出特性。本文分析AlGaN/GaN/AlGaN双异质结构特性以及2DEG的分布情况，分析材料的个参数对2DEG的影响。

2 AlGaN/GaN/AlGaN HEMT器件结构

AlGaN/GaN/AlGaN HEMT是一种高迁移率的器件，其载流子迁移率可达8100cm2/ Vs，远远高于AlGaN/GaN单异质结中的最大载流子迁移率。与但异质结相比双异质结AlGaN/GaN/AlGaN HEMT具有双倍的电流传输能力，更好的夹断特性，缓冲层的漏电流更小，更适合在微波功率或通信器件。

双异质结AlGaN/GaN/AlGaN HEMT的结构如图1所示，栅极采用肖特基接触，源漏极为欧姆接触。在GaN沟道生长前加入一个低Al组份的AlGaN被势垒，形成一个AlGaN/GaN/AlGaN双异质结。这样的结构可以提高GaN缓冲层一侧的势垒，增强沟道势阱中电子气的量子限制作用，从而提高器件的性能。图2是AlGaN/GaN单异质结和AlGaN/GaN/AlGaN双异质结的势垒分布和二维电子气分布图。从图中可以看出，当采用了AlGaN背势垒后，沟道势阱的前半部分变化不大，而后半部分的能带明显提高，加强了量子限制作用，二维电子气基本被限制在势阱中。这种较强的限域特性有效的抑制了载流子溢出到缓冲层当中去，从而提高了载流子的迁移率，减小了器件的关态漏电流。使得器件的性能大大改善，故双异质结器件更适合于高频系统中。

图1 器件的结构

图2 2DEG分布和导带分布

3 AlGaN/GaN中的2DEG

利用一维薛定谔-泊松方程量子效应自洽解的物理模型，异质结界面的导带底势阱对电子的连孩子限制作用可以用薛定谔方程来近似描述：

式中，m*(z)为与z方向位置有关的电子的有效质量，Ek、分别为二维电子气的本征能级和波函数，是归一化普朗克常量。

一维泊松方程：

其中ε为相对介电常数，V(z)为静电势，e为电子电荷，为离化的施主杂质浓度。

二维电子气的面密度为：

式中，EF是费米能级和能量零点的差，kB玻尔兹曼常量，T是温度。

4 AlGaN/GaN/AlGaN HEMT中2DEG的影响因素

二维电子气浓度是决定HEMT器件性能的重要指标，它与异质结中的Al组分、势垒厚度以及GaN沟道层厚度等都有较强的依赖关系。

对于未掺杂的AlGaN/GaN异质结界面形成的2DEG面密度为：

式中，σ(x)为极化电荷，ε(x)为介电常数，d为AlGaN层厚度，为表面势垒高度。ΔEC为AlxGaN1-x和GaN之间的导带断续。

（1）上层AlGaN中Al组分的影响：对于AlGaN/GaN异质结界面，随着AlGaN的Al组分的不断增加，导致和GaN层之间的晶格常数、禁带宽度差异跟着不断层大，使得界面处的量子阱会逐渐加深，压电极化效应也会不断增强，极化电荷随之增加。所以，2DEG浓度会随Al组分的增大而升高。

（2）势垒厚度的影响：随着势垒层厚度的不断增大，载流子面密度也会不断增加，但是增加趋势相对随Al组分的变化来讲比较缓慢，这是由于势垒层增大时，上层AlGaN层逐渐弛豫，降低了极化效应。

（3）背势垒层AlGaN中Al组分的影响：AlGaN背势垒层Al组分的提高增加了GaN/AlGaN异质结中的极化效应，使得该异质结中极化电场增强，背势垒层高度增加，使得异质结能带弯曲更陡峭，从而使2DEG分布更窄，增大了2DEG的限域性。而背势垒层的应力为压应力，其自身的压电方向和AlGaN/GaN异质结夜店极化方向是相反的，在一定程度上抵消了该异质结的压电极化效应。而且，被势垒层的压应力会向上传导，使得上层的GaN和AlGaN层的应力状态都会稍微改变，结果都是导致极化电荷减少，从而使得2DEG浓度下降。

（4）GaN沟道层厚度的影响：生长在AlGaN势垒层上的GaN沟道层受到来自势垒层的应压力，成为压应变GaN层。当GaN层越薄，它的压应变就会越弱，从而使得AlGaN/GaN异质结的不匹配度减弱，也就导致了压电效应变弱，极化电荷减少，故2DEG浓度就会下降。因此，当GaN层厚度减小时，2DEG的浓度会下降。

图3 器件的输出特性曲线

图4 器件的转移特性曲线

5 AlGaN/GaN/AlGaN HEMT的电学特性

在AlGaN/GaN/AlGaN HEMT器件中，由于双异质结中载流子的限域性提高，沟道变窄，2DEG的面密度相对于单异质结中的要低，从而使得器件的饱和电流密度和跨导相对较低。图3为栅极电压为零时的输出特性。而且，由于双异质结沟道中较低的载流子密度，使得其需要一个较低的栅极电压就可以耗尽沟道中的载流子，所以阈值电压较小。图4为器件的转移特性曲线。虽然双异质结器件的饱和电流密度和跨导都比较小，但是由于背势垒层的作用，使得载流子的量子阱限制作用加强，有效的抑制了载流子溢到缓冲层中，从而减小了器件的关态漏电流，提高了器件的性能。

6 结论

分析了AlGaN/GaN/AlGaN HEMT器件的结构及能带特性，由于极化效应和压电效应，在器件的AlGaN/GaN界面处有高浓度的2DEG。而背势垒层AlGaN的加入，加深了沟道量子阱的限制作用，从而提高了器件的电学性能。文中分析了影响AlGaN/GaN/AlGaN HEMT器件中2DEG的因素，与单异质结不同的是，背势垒层中Al组分增大时2DEG的浓度会下降。而GaN层的厚度也影响着2DEG的分布，当GaN层的厚度变薄时，2DEG的浓度会有所下降。2DEG的分布及输运直接影响到器件的电学特性，从器件的直流特性上看，双异质结AlGaN/GaN/AlGaN HEMT器件器件的饱和电流密度和跨导相对较低，阈值电压较低，但其最大的优越性是关态漏电流很小，使得器件的可靠性大大提高。

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