GaN HEMT半导通态空穴产生：实验证据与TCAD建模

《IEEE Journal of Electromagnetics, RF and Microwaves in Medicine and Biology》：Semi-On State Hole Generation in GaN HEMTs: Experimental Evidence and TCAD Modeling

　　

摘要：研究人员通过实验研究栅极收集的空穴电流对VDS、VGS和温度的依赖性，探索了GaN HEMT在半导通态下空穴产生的物理机制。三个关键观测结果与传统碰撞电离（Impact Ionization, II）理论相矛盾：空穴电流1）在高电场下饱和；2）表现出正温度依赖性；3）在5 K时具有低至VDS=2.7 V的触发电压，该值显著低于GaN带隙能量。研究人员因此提出陷阱辅助碰撞电离（Trap-Assisted Impact Ionization, TAII）作为潜在机制，并在TCAD中实现了相应的行为模型。TCAD仿真准确再现了实验观测到的空穴产生对VDS、VGS和温度的依赖性。

一、研究背景与问题

GaN基高电子迁移率晶体管（HEMT）凭借其高沟道电导率和大击穿电压，已成为射频开关和功率放大器应用的关键器件。射频GaN功率放大器晶体管常被偏置在深AB类工作状态以平衡效率与线性度。深AB类功放HEMT的静态偏置点位于半导通态：栅极电压略高于阈值电压（V_th），漏极电压处于电源电压水平。这种偏置条件会在HEMT沟道中同时引发高电流密度（约100 mA/mm）和强电场，导致显著的热电子效应。这些热电子可能进一步触发GaN沟道中的空穴产生。HEMT中的空穴会引发阈值电压不稳定性和转移及输出特性中的kink效应等可靠性问题。然而，GaN HEMT中空穴产生的确切机制仍存在争议：部分研究将其归因于传统碰撞电离（II），而其他实验结果则对这一解释提出质疑。

二、研究内容与结论

研究人员在GaN-on-Si HEMT上开展了系统的实验研究，器件栅宽10 μm，栅长L_G=0.13 μm，L_GS=1.5 μm，L_GD=1.75 μm。通过在5 K至298 K温度范围内测量栅极收集的空穴电流（I_G,h）对V_DS、V_GS和温度的依赖性，获得了三个与传统II理论相矛盾的关键实验证据：其一，I_G,h随V_DS先线性增加，但在约10 V后出现明显饱和，而传统II理论预期空穴产生率随电场增强而持续上升；其二，I_G,h表现出弱正温度依赖性，与传统II理论中因载流子散射增强导致产生率随温度下降的预期相反；其三，在5 K低温下，空穴电流在V_DS=2.7 V时仍清晰可辨，远低于GaN带隙能量（E_g,GaN=3.4 eV）对应的电压。基于这些证据，研究人员提出陷阱辅助碰撞电离（TAII）作为半导通态空穴产生的基本机制：GaN带隙内的陷阱能级降低了热电子产生电子-空穴对所需的动能阈值。该研究发表于《IEEE Journal of Electromagnetics, RF and Microwaves in Medicine and Biology》。

三、关键技术方法

研究人员主要采用了以下关键技术方法：一是栅极空穴电流提取技术，通过数值识别I_G,h凸起的起点和终点，对背景泄漏进行线性拟合并从总栅极电流中扣除，以获得纯净的空穴电流；二是变温直流I_G-V_G扫描测量，在5 K至298 K温度范围内对同一器件进行V_DS从5 V至20 V的扫描，以避免器件间差异；三是低温测量技术，在5 K条件下利用费米能级附近电子分布紧密限制的特点，使热电子发射可忽略，从而提取空穴产生的最小触发电压；四是TCAD仿真建模，在Okuto-Crowell模型基础上引入电场饱和项（c=1/[1+(E/E_sat)ⁿ]），构建行为学TAII模型，并重新提取模型参数，同时启用AlN中间层和栅极的非局域隧穿效应。

四、研究结果

A. V_DS依赖性

实验数据显示I_G,h峰值随V_DS先线性增加，但在约10 V后出现明显饱和。这一行为与传统II理论相矛盾，后者预期空穴产生率随V_DS升高导致的电场增强而持续上升。

B. 温度依赖性

观测到I_G,h呈现弱正温度依赖性。这一现象同样与传统II理论相悖，因为传统II理论中载流子散射随温度升高而增强，空穴产生率应随温度下降。

C. 低温测量

在5 K低温环境下，I_G,h仍然显著存在。更重要的是，在V_DS=2.7 V时空穴电流凸起仍清晰可辨，该电压远低于GaN带隙能量对应的电压值。由于低温下热电子最大动能受外加电压限制，这一结果表明空穴产生所需的载流子动能低于E_g,GaN，为排除传统II机制提供了决定性证据。

五、讨论与结论

基于上述实验观测，研究人员提出TAII作为半导通态空穴产生的基本机制。TAII过程在强电场下会因参与陷阱的有限浓度和响应速率而趋于饱和，且其温度依赖性与II过程不同。研究人员在TCAD中实现了行为学TAII模型，该模型保留Okuto-Crowell模型的核心结构，通过添加电场饱和项并重新提取参数，成功复现了实验观测到的I_G,h对V_DS、V_GS和温度的依赖性。传统II模型无法再现实验数据，而TAII模型与测量结果吻合良好。该研究系统分析了GaN HEMT半导通态下热载流子诱导的空穴产生机制，提出的TAII模型可推广应用于不同器件技术中与空穴相关的可靠性现象研究，如阈值电压不稳定性和kink效应。