使用Si δ掺杂帽层对GaN HEMT中电流崩溃抑制效果的仿真分析

《Micro and Nanostructures》：Simulation analysis of current collapse suppression in GaN HEMTs using a Si δ-doped cap layer

氮化镓高电子迁移率晶体管中采用硅δ掺杂GaN盖层结构可有效抑制电流崩溃，提升功率密度与高频性能，通过降低势垒/通道电场及增强二维电子气浓度实现优化，实验显示电流崩溃率降低至8.7%，显著优于传统方案。

　　

连梦晓|何家恒|张连|谢书杰|吴宣坤|米长新|易博阳|程哲|胡朝阳|张云

中国科学院半导体研究所，北京，中国

摘要

电流崩塌严重限制了氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMTs）的效率和功率密度，尤其是在高频薄势垒器件中，二维电子气（2DEG）与表面态的接近加剧了这一现象。虽然较厚的GaN盖层可以缓解这一问题，但会降低2DEG密度和射频性能。为了解决这一权衡问题，我们提出了一种δ掺杂的GaN盖层。TCAD模拟表明，这种设计可以减少势垒/通道的电场，从而有效抑制电流崩塌。值得注意的是，具有5纳米盖层的δ掺杂HEMT在表面陷阱密度为1×10^13 cm^-2时，电流崩塌仅达到8.7％，显著优于传统HEMT（26.7％）。δ掺杂同时实现了优异的直流特性：导通电阻（R_on）为1.58 Ω mm，饱和电流为2.35 A/mm。这一策略克服了关键厚度与性能之间的冲突，使得GaN HEMTs能够在超尺度下运行，同时抑制电流崩塌、提高功率密度，并实现太赫兹（THz）波段的操作，适用于下一代射频系统。

引言

氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMTs）因其卓越的性能而备受关注，包括高击穿电场、高电子饱和速度、优异的电子迁移率以及出色的热稳定性，使其成为高频和高功率应用的理想选择[[1], [2], [3], [4]]。在GaN HEMT器件的发展中，电流崩塌已成为制约功率和射频性能提升的关键挑战[5]。对于功率器件而言，电流崩塌会导致导通电阻下降，从而影响功率转换效率[6]。在高频应用中，这种现象会导致输出特性的频率色散，最终显著降低信号输出功率[[7], [8], [9]]。电流崩塌现象的主要原因是表面态缺陷。传统的缓解策略，如表面钝化技术[10,11]或增加势垒层厚度[12,13]，旨在降低表面态密度。然而，这些方法不可避免地会损害极化效应，导致2DEG浓度下降[14]。

对于G-极性器件，研究人员仍在探索更有效的解决方案，例如使用高K值钝化层[15]和栅极场板结构[16,17]。在高频器件中，通常采用激进的器件缩放策略（如缩短栅极长度和减薄势垒层）来提高频率响应。不幸的是，增厚势垒层或使用厚钝化层会引入不可避免的权衡，包括明显的短沟效应和恶化的寄生参数[18,19]。此外，在功率转换器件中，许多研究人员专注于优化盖层以改善关断状态特性和功率性能[[20], [21], [22], [23]]。基于上述考虑，本文提出了一种Si δ掺杂的GaN盖层优化方案。

在这项工作中，我们提出了一种创新的解决方案，用于G-极性HEMT器件，能够在保持高电子浓度的同时有效抑制电流崩塌。这归因于δ掺杂能够屏蔽表面电荷，不仅增强了2DEG，还降低了势垒层中的电场峰值，从而减少了电子在通道中的捕获概率。这种方法有助于实现高功率和高频率的GaN HEMT器件。

部分内容摘要

器件结构和仿真设置

在之前的研究中，已经制备出了高性能的HEMT射频器件[[24], [25], [26], [27]]。在蓝宝石衬底上生长的外延结构包括一个AlN成核层、1.5微米厚的Fe掺杂GaN缓冲层、300纳米厚的非故意掺杂（UID）GaN通道、1纳米厚的AlN中间层、4纳米厚的In_0.83Al_0.17N势垒层以及2纳米厚的GaN盖层。在器件制造过程中，通过选择性外延再生定义了源/漏接触区域。

结果与讨论

图3展示了在零偏压条件下，未掺杂（Con-HEMT）和δ掺杂HEMT的能带图。如图所示，在GaN盖层中加入δ掺杂层会导致能带向下弯曲，并使AlN/GaN界面处的三角势阱加深。随着δ掺杂浓度的增加，能带弯曲变得更加明显，三角势阱的深度也逐渐增加。

结论

本研究提出了一种新型的δ掺杂GaN盖层，有效解决了在激进缩放器件中的电流崩塌和性能下降问题。通过在5纳米厚的GaN盖层中嵌入Si δ掺杂层，当缺陷能级设为0.3 eV、掺杂浓度为1×10^13 cm^-3时，我们实现了8.7％的电流崩塌和1.1的动态至静态导通电阻（R_on），显著优于传统HEMT的26.7％和1.22。δ掺杂HEMT还表现出优异的直流性能。

作者贡献声明

连梦晓：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，软件使用，方法论，实验研究，数据分析，概念化。何家恒：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，方法论，实验研究，数据分析，概念化。张连：验证，方法论，实验研究，数据分析，概念化。谢书杰：数据可视化，验证，方法论，实验研究，数据分析。吴宣坤：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本研究得到了中国科学院基础研究青年科学家项目（项目编号：YSBR-064）的支持。