直流大电压下犌犪荦犎犈犕犜电流崩塌效应探索

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1、第２７卷增刊半导体学报犞狅犾．２７犛狌狆狆犾犲犿犲狀狋２００６年１２月犆犎犐犖犈犛犈犑犗犝犚犖犃犔犗犉犛犈犕犐犆犗犖犇犝犆犜犗犚犛犇犲犮．，２００６直流大电压下犌犪犖犎犈犕犜电流崩塌效应探索龙飞杜江锋罗谦周伟夏建新杨谟华（电子科技大学微电子与固体电子学院，成都６１００５４）摘要：基于犌犪犖犎犈犕犜器件物理和实验分析测试结果，提出了一种犌犪犖电流崩塌效应的新物理模型．研究表明，在大漏极电压条件下，沟道电子易于注入到犌犪犖缓冲层中，并被缓冲层中的陷阱所俘获，耗尽二维电子气，从而导致电流崩塌效应．该模型描述了电流崩塌效应与缓冲层中陷阱的相互关系，并获得了电流崩塌前后迁移率与二维电子气浓度乘积的

2、归一化值．该结果可望用于犌犪犖犎犈犕犜器件进一步的理论探讨和实验研究．关键词：电流崩塌效应；犌犪犖犎犈犕犜；陷阱；物理模型犈犈犃犆犆：２５６０犛中图分类号：犜犖３０２文献标识码：犃文章编号：０２５３４１７７（２００６）犛００２２７０４１引言近年来，犌犪犖在微波功率范围的应用技术有了［１，２］显著的提高，作为宽禁带半导体，它具有高饱和速度、高击穿电压和优良的高温工作特性．业已发现，犌犪犖器件漏极电压超过一定值时，随着漏极电压的增加，电流开始下降，不能达到理想的值，这就是犌犪犖器件的电流崩塌效应．由于电流崩塌效应的图１典型的犌犪犖犎犈犕犜器件结构图产生，让器件的漏极电流减小，膝区电压增大

3、，从而犉犻犵．１犜狔狆犻犮犪犾犌犪犖犎犈犕犜犱犲狏犻犮犲狊狋狉狌犮狋狌狉犲减小了功率，让它失去了大电流、大功率的意义．分布可表示为［３，４］国内外用多种方法研究电流崩塌的本质，犱犞（狓）也提出了相应的观点．其一认为是由于犌犪犖器件表犐犇＝－μ狀犠犙狀（狓）（１）犱狓面有很高的电场使得表面态捕获了电子，耗尽了二式中犠是沟道宽度；犙（狓）是单位表面积的沟道狀维电子气，致使沟道电子密度减小，从而使漏极电流电荷；犞（狓）是表面势沿沟道的分布．若单位面积的减小．另一种观点是在大漏极电压条件下，二维电子栅电容为犆，栅电压为犞，则有０犌气中的电子被激发到缓冲层中去，并被缓冲层中的犙狀（狓）＝－犆０犞犌（

4、２）陷阱所捕获，不能起到导电的作用，所以才使得漏极＝－犆０［犞犌－犞（狓）－犞犜］（３）电流比理想情况有所下降．本文从犌犪犖犎犈犕犜器假定电子迁移率恒定，对犐（狓）积分，得到漏极μ狀犇件电流崩塌与缓冲层中陷阱的关系出发，提出一种电流新的电流崩塌物理模型．犔犌犐犇（狓）犱狓＝犐犇犔犌（４）∫０犞２物理模型犇犛＝μ狀犠犆０［犞犌犛－犞（狓）－犞犜］犱犞（狓）（５）∫０图１为典型犌犪犖犎犈犕犜器件的结构图．器件犐犇＝μ狀犠犆０［（犞）犞１犞２］（６）犌犛－犞犜犇犛－犇犛在蓝宝石衬底上用犕犗犆犞犇方法生长外延层．犃犾犖犔犌２在犞较小时，将得到线性关系为成核层厚度为２０狀犿，犌犪犖缓冲层厚度为３，犃

5、犾犇犛μ犿犆０犌犪犖中犃犾的组分是３０％，厚度为２５狀犿．犐犇≈μ狀犠（犞犌犛－犞犜）犞犇犛（７）［５］犔犌根据谢孟贤等人的理论，典型的犌犪犖犱犐犇犛犎犈犕犜器件采用缓变沟道近似，漏极电流沿沟道的在犞犇犛较大时，漏电流将饱和，由＝０得犱犞犇犛通信作者．犈犿犪犻犾：犮犱＿犱狉犪犮狅＠狔犪犺狅狅．犮狅犿．犮狀２００５１２０８收到，２００６０４１３定稿２００６中国电子学会２２８半导体学报第２７卷犆０２犐犇犛＝μ狀犠（犞犌犛－犞犜）（８）２犔犌对短沟犎犈犕犜，还必须计入电子漂移速度狏与电犱场ε的关系．在强电场下，器件的性能更有可能被电子的饱和速度狏所限制．据此，可以求出与事实相狊犪狋

6、符合的饱和电流犐表达式，在犞时，有犇犛犜≈０犐犇＝μ狀犠犆０（犞２２）（９）犌犛－犞犌犇２犔犌犐犇犛＝μ狀犠犆０（犞２２）（１０）犌犛－犞犌犇狊犪狋２犔犌在ε＝ε时，有犿２（１１）图２犌犪犖犎犈犕犜输出特性和拟合结果方点是崩塌前实验犐犇犛＝μ狀犠犆０犞犇犌狊犪狋ε犿值，圆点是崩塌后实验值．则犉犻犵．２犌犪犖犎犈犕犜狅狌狋狆狌狋犮犺犪狉犪犮狋犲狉犻狊狋犻犮狊犪狀犱狊犻犿狌犾犪犞犌犇狊犪狋＝犐犇犛（１２）狋犻狅狀狉犲狊狌犾狋狊犛狇狌犪狉犲狊犪狉犲狀狅狀犮狅犾犾犪狆狊犲犱犲狓狆犲狉犻犿犲狀狋狉犲μ狀犠犆０ε狀狊狌犾狋狊犪狀犱犱狅狋狊犪狉犲犮狅犾犾犪狆狊犲犱犲狓狆犲狉犻犿犲狀狋狉犲狊狌犾狋狊．

7、所以流曲线，这就是电流崩塌效应产生的结果．在饱和犐犇犛＝μ狀犠犆０［（犞２（犐犇犛）２］（１３）犌犛－区，电流有明显的减小，使得器件功率大大减小．可２犔犌μ狀犆０犠ε犿通过对实验的分析，提出电流崩塌后电流方程应为以考虑成，当所加的漏极电压较大时，电子从沟道注入到犌犪犖缓冲层中，并被缓冲层中的陷阱所俘获，犆０犠犐犇＝（μ狀２犔＋β＋α犞犌犛）×从而耗尽了二维电子气，最终致使漏极电流减小．［２（犞）犞２］（１４）α和β是电流