表面电荷与体陷阱对gan基hemt器件热电子效应和量子效应的影响研究

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1、第５９卷第４期２０１０年４月物理学报Ｖｏｌ．５９，Ｎｏ．４，Ａｐｒｉｌ，２０１０１０００３２９０／２０１０／５９（０４）／２７４６０７ＡＣＴＡＰＨＹＳＩＣＡＳＩＮＩＣＡ２０１０Ｃｈｉｎ．Ｐｈｙｓ．Ｓｏｃ．表面电荷与体陷阱对ＧａＮ基ＨＥＭＴ器件热电子和量子效应的影响研究郝立超１）２）段俊丽１）（同济大学物理学院，上海２０００９２）２）（上海交通大学医学院附属新华医院，上海２００２４０）（２００９年８月６日收到；２００９年８月１９日收到修改稿）研究了ＧａＮ基ＨＥＭＴ器件表面电荷和体陷阱的变化对输出特性的影响．通过分析表面电荷与体陷阱对电流坍塌效应、饱和电流和

2、膝点电压的影响，初步确定了其变化关系．研究结果显示表面电荷的增加能够耗尽二维电子气，减弱电流坍塌效应，降低饱和电流，使膝点电压非正常后移．同时，体陷阱的减小可以有效减弱电流坍塌效应，增大饱和电流，且膝点电压基本保持不变．晶格温度较低时，热电子效应和量子隧穿效应对电流坍塌效应影响显著．采用流体动力学模型，分析了引起电流坍塌效应的内在物理机制，并获得了器件设计和制备的优化方案．关键词：ＧａＮＨＥＭＴ器件，电流坍塌效应，热电子效应，表面电荷ＰＡＣＣ：７３２０Ｄ，７３４０Ｎ，７３６０Ｌ测量可以得到一个０３—０４ｅＶ间的激活能，［１６］１引言Ｈａｓｅｇａｗａ等将表

3、面能级定在导带底以下０３７［１７］ｅＶ，但Ｍｅｎｅｇｈｅｓｓｏ等则认为表面能级是价带顶第三代宽禁带半导体材料ＧａＮ不仅具有宽的上０３ｅＶ的空穴陷阱．有些物理参数到目前为止尚禁带（３４７ｅＶ），而且还具有热导率大、电子饱和速未确定．率高、击穿场强大及热稳定性好等特性，因此在制现在有很多对ＧａＮ基ＨＥＭＴ器件进行模拟计［３，４，７，１５］备高温、高频、高压及大功率器件方面备受关注，在算的模型．但是大多数模型忽略了对器件军用和民用市场有着广阔的应用前景［１—３］．但是电影响重大的两个因素，即沟道处二维电子气流坍塌效应、热电子效应、极化效应和自加热效应（２ＤＥＧ）

4、的量子隧穿效应［１８］和热电子效应．这两个等不利因素的存在，限制了ＧａＮ器件的广泛应效应都可以使沟道中的电子克服势垒层和缓冲层用［４—７］．为了进一步提高ＧａＮ基ＨＥＭＴ器件的性的势垒，进入势垒层和缓冲层并被体陷阱俘获，从能，建立可与不同工艺水平相适应的器件模拟平台而对电流坍塌效应产生重要影响．同时，这些模型是十分必要的．ＧａＮ基ＨＥＭＴ器件的制备工艺复多数是基于自加热效应对电流坍塌效应的影响来杂，周期长且价格昂贵．为降低开发费用，提高产品进行研究［２，４］，对饱和电流及膝点电压变化的研究性能，器件模拟成为实验之外一种非常重要的工较少．即使有研究提到饱和电流和膝

5、点电压变化，具［８—１０］，为器件的优化提供了一种切实可行、省时也只是简单介绍［１９］，对电流坍塌效应影响的内在物省力的方法．通过器件模拟技术可以了解制约器件理机制鲜有研究．这些都使对ＧａＮ基ＨＥＭＴ器件的性能的物理机制，为进一步提高器件性能提供理论认识不够完整，不能全面地把握各种现象内在的支持［１１—１４］．但是到目前为止ＧａＮ基ＨＥＭＴ器件的联系．物理模型还没有完整的建立起来，特别是文献报道由于极化作用、射线辐射［２０］等原因形成的表面中很多物理参数不一致，比如ＩｎＮ禁带宽度［１５］．甚电荷及晶格失配等原因形成的体陷阱对ＧａＮ基至有些文献的参数自相矛盾，比如

6、由器件瞬态电流ＨＥＭＴ器件的电学特性有着重要影响，本文通过改通讯联系人．Ｅｍａｉｌ：ｊｕｎｌｉｓｈａｎｇｈａｉ２００５＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ４期郝立超等：表面电荷与体陷阱对ＧａＮ基ＨＥＭＴ器件热电子和量子效应的影响研究２７４７变表面电荷和体陷阱浓度来观察其对输出特性曲μ＝μｌｏｗ，线的影响，确定电流坍塌效应、饱和电流和膝点电２ββ／２２／β［１＋α（ωｃ－ω０）＋α（ω－ω）］压的变化槡ｃ０．重点从量子隧穿和热电子效应两方面解（１）释输出特性曲线的变化，分析表面电荷与体陷阱对其中μｌｏｗ是低电场强度下的迁移率，β是值为０７５器件性能影响的内在物理机制，

7、并就器件设计和制的常数，ωｃ＝３ｋＢＴＣ／２是载流子平均热能，ω０＝备提出优化方案．３ｋＴ／２是平衡热能，Ｔ和ＴＬ分别是平均载流子温ＢＬＣ２／β度和平均晶格温度，１μｌｏｗα＝，Ｖｓａｔ是饱和２理论模型２(ｑτＶ２)速度，ｅ，ｃｓａｔτｅ，ｃ是载流子弛豫时间．通过自洽求解Ｐｏｉｓｓｏｎ本文采用的ＧａＮ基ＨＥＭＴ器件结构如图１所方程和Ｓｃｈｒｄｉｎｇｅｒ方程，可以很好地模拟热电子效示．其中源漏极长度都为１μｍ，坐标原点Ｏ在应和量子效应，确定表面电荷与体陷阱对输出特性ＩｎＧａＮ／ＧａＮ界面中心．在ＡｌＧａＮ／ＧａＮ异质结间增加影响的内在物理机制．［１５］ＩｎＧａ

8、Ｎ层有助于改善其表面和界