界面极化效应对AlGaN_4H_SiCHBT器件性能影响研究_周守利

SiC HBT 性能的改变。利用热场发射扩散模型， 基于数值模拟方法研究了异质结界面极化效应产生的极化电荷对 AlGaN /4HSiC 异质结界面极化效应引诱的正极性极化界面电荷削弱了异质结的内 器件直流性能和高频性能的影响 。得到了 AlGaN /4H建电场， 加速了载流子的扩散运动， 因而能促进载流子的输运， 从而使器件的直流特性和高频特性得到改善 。
摘要
AlGaN /4HSiC HBT， Heterojunction interface， Polarization effects， ThermionicFieldDiffusion
AlGaN /4HSiC 异质结界面存在大的自发和压电极化效应， 从而使界面出现较多数量的极化电荷， 这导致器件电学
0420 收稿日期：2013-
通电阻、 更好的线性度、 更大的电流密度、 低的相位 噪声和更好的阈值电压稳定性， 因此以宽禁带半导 体 材 料 为 代 表 的 AlGaN / GaN HBT 和 AlGaN / SiC 5 －7 ］ HBT 也越来越受到关注［1， 。但对于 GaN 基 HBT， 由于基区 GaN 常采用的 p 型掺杂剂为 Mg， 而 Mg 是 深能级受主， 在室温下不完全电离， 因而为了保证一 定的载流子空穴浓度需要求很高的掺杂浓度， 而对 于 GaN 的 p 型高掺杂工艺难度很大 ， 因此目前实验
梁显锋
2
安军社
2
杭州 310023 ；2． 中科院国家空间中心
北京 100190 ）
The impact of interface polarization effects on electrical properties of AlGaN / 4 HSiC HBT
Zhou Shouli1* ， li Jia1 ， Liang Xianfeng2 ， An Junshe2
+ －
2
数值求解结果与讨论
对于上述有耦合的非线性二维偏微分方程 ， 要
（1） （2） （3）
想得到解析解是不可能的， 必需利用数值求解技术， 数值求解结果的可靠性取决于离散方法、 网格优化 划分与数值迭代技术的选择上。 网格划分采用动态 三角形优化， 即首先在输入文件中给出器件结构及 其边界点信息， 根据这些信息划分初始的三角形网 格， 然后再根据输入的反映掺杂浓度的文件进行第 一次优化， 以后将每次得到的求解结果作为新的初 始计算条件对网格再次进行优化划分， 并在此基础 上重新进行数值求解， 直到方程收敛为止； 对模拟方 程采用有限差分法在特定的三角形网格上离散化， 对离散化后的代数方程选用 Gummel （ 非耦合法 ） 和 Newton（ 耦合法） 混合法的迭代求解技术， 即： 为了避 免初 值 选 得 不 好 导 致 数 值 计 算 不 收 敛， 首先用 GUMMEL 法对离散化后的代数方程依次迭代求解
J n = kTμn － qμ n n（ ψ +
kT χ kT N c lnγ n + + ln ） q q q n ir
（4） χ + E g kT N v kT J n = kTμ p p － qμ p （ ψ + lnγ p + + ln ） q q q n ir （5）
第1 期
第 34 卷 第 1 期 2014 年 1 月
真 空 科 学 与 技 术 学 报 CHINESE JOUＲNAL OF VACUUM SCIENCE AND TECHNOLOGY
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界面极化效应对 AlGaN /4H - SiC HBT 器件性能影响研究
周守利
（ 1． 浙江工业大学信息学院
1*
李
伽
1
Abstract
The impact of the polarizd charge ， accumulated at the AlGaN /4HSiC heteroiunction because of
strong spontaneous polarization and piezopelectric polarization ， on the characteristics of the Heterojunction Bipolar Transistor （ HBT ） fabricated with the AlGaN /4HSiC heterojunction was mathematically modeled ， physically analyzed， and numerically simulated． The newlyformulated thermionicfielddiffusion model combined the driftdiffustion transport in the bulk of a HBT and the thermionic emission and tunneling at the interface． The calculated results show that the accumulated positive charges at the interface ， originated from the strong polarizations， signficantly weaken the builtinelectric field in the heterojunction， promoting the diffusion and transport of carriers and improving the performance of the AlGaN /4HSiC HBT， its DC and high frequency characteristics in particular． Keywords
P sp 为自发极化强度， 第一项反映了自发极化界 式中， a SiC 分 别 为 AlGaN、 SiC 的 晶 格 常 数， 面电荷； a AlGaN 、 c13 、 e33 为压电系数， c33 为弹性系数， e31 、 第二项反映了 压电极化界面电荷。
1
物理模型
SiC HBT 的计算， 对于突变 AlGaN /4H采用热场 （ ThermionicFieldDiffusion ） 发射 扩散 模 型， 即在体 区域内求解漂移扩散模型所构成的基本方程， 而在 突变界面处考虑热场发射的边界条件 。 在体区域内漂移扩散模型所构成的基本方程为 Possion 方程和电子及空穴连续性方程： ·（ εψ） = － q （ p － n + N D － N A ） n 1 = ·J n + G n － Ｒ n t q p 1 = ·J p + G p － Ｒ p t q 上述电子电流J n 和空穴电流J p 分别为
（ 1 ． College of information engineering， Zhejiang University of Technology， Hangzhou 310023 ， China； 2 ． National Space Science Center， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190 ， China ）
学
与
技
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报
第 34 卷
［8 ］ 制备得到的 AlGaN / GaN HBT 性能并不理想 。 相 比之下， 这是因 人 们 越 来 越 看 好 AlGaN / SiC HBT，
SiC HBT 突变异质结界面处， 作为 在 AlGaN /4H边界条件的热场发射电子电流 J n 和空穴电流 J p 分别 为 J n = qv n （ 1 + δ） ［ n + － n － exp（ J p = － qv p［ p + － p － exp（
13
图 2图 4 分 别 给 出 了 没 有 考 虑 和 考 虑 了 AlGaN /4 HSiC 异 质 结 界 面 极 化 效 应 下 的 Gummelpoon 图特 性 、 共 射 输 出 特 性 和 高 频 特 性 的 对 比。 从图 2 可以 看 出 ， 在 较 低 的 V be 偏 压 下 ， 由于宽禁 SiC HBT 存 在 大 的 基 区 漏 电 流［14］， 带 AlGaN /4 H因此两种情况下基区的复合电流均远 大 于 集 电 极 电流 ， 但随着 V be 偏压的加大 ， 载流 子 渡 越 的 加 速 ， 有更多的电 子 被 集 电 极 收 集 ， 两情况下的集电极 电流大于基极电流 ， 从模拟结果还可以看出 ， 考虑 SiC HBT 比 没 有 考 界面极化 效 应 下 的 AlGaN /4 H虑的情况下 有 更 高 的 集 电 极 电 流 和 基 极 电 流 ， 在 5 V 以上的偏压 ， 集 电 极 电 流 接 近 饱 和， 且集电极 电流差异 不 大 。 图 3 的 共 射 输 出 特 性 的 对 比 说 明， 考虑界面极化效应有更高的集电极输出电流 ， 特别是在较高的基极电流条件下 。 同样， 图 4 也表 SiC HBT 有更高 明考虑界面极化效应下 AlGaN /4HSiC HBT 的仿真结果 的截止频率。 这些 AlGaN /4H［12 ］ 同 Asbeck 等 对 AlGaN / GaN HBT 实验得到的结论 一致， 即极化效应引诱的界面正极性极化电荷总体
［11 － 12 ］ ［ 5， 7， 9 － 10 ］
－ ΔE C ）］ kT
（6） （7）
－ ΔE V ）］ kT
式中 ν n 和 ν p 分别是电子和空穴平均热运动速度， n+、 n－和 p+、 p － 是紧邻异质结界面两侧的电子、 空穴 浓度；δ 为隧穿因子， 其表达式为 1 δ= kT E
E C+ + EC － Ex ） kT X E
∫
min
exp（
4π 0． 5 ·exp（ － ［ 2 m* n （ E C － E X） ］ d X d E X h 0