HEMT及其界面态效应的二维数值模拟.doc

HEMT及其界面态效应的二维数值模拟规结掏的AIGtAI/GtAiHEMT进行了模拟,讨论了HEMT的内部工作机制,特别是异质结效应.本文着重模拟分析了HEMT中界面态对器件性扼的影响.模拟结果表明界面态对HEMT的特性有显着的影响.I.引言高电子迁移率晶体管(HEMT)以其优异的性能越来越受到重视.众所用知.载流子深能级陷阱对器件的性能有很大的影响.n型AIGaAs中DX中心及其对AIGaAs/GaAsHEMT的影响已有许多实验和理论研究,但对AIGaAs/GaAs调制掺杂异质结(MDH)界面态的研究,以及界面态对HEMT性能影响的研究却很少.KLee等从理论上研究了AIGaAs/GaAsMDH中界面态对二维电子气(2DEG)低场迁移率的影响.MTakikawa等首次用修正的DLTS测量了AIGaAs/GaAsMDH的界面态.由于HEMT沟道中的2DEG位于异质界面处,界面态的影响将是很重要的.但至今为止,关于在HEMT器件模型中考虑界面态效应的研究,还未见报道.本文基于异质结漂移一扩散模型(DDM)建立了HEMT的二维数值分析模型,并将界面态模型引入其中.界面态模型的建立是基于已有的理论和实验研究结果.本文对1m栅长的常规HEMT进行了模拟,分析讨论了HEMT的内部工作机制,特别是异质结效应.本文着重模拟分析了界面态对器件特性的影响.在模拟分析中还考虑了DX中心效应和表面态引起的表面电势效应.模拟结果表明界面态对HEMT的性能有显着的影响.II.理论模型(1)基本方程基于漂移一扩散模型的异质结基本方程为:丰谭恩由国家教委博士点基金资助8期相奇等:HEMT及其界面态效应的二维数值模拟,rVDP,(】)J一V.,(z>【一寺V一(;)式中一-evF为电血移矢量.为位置的函数),一(t-n+No+,一)为总电荷密度.若考虑DX中心和界面态,则电荷密度0一g(P一+一).其中;为考虑了DX中心后的电离施主杂质浓度,为电离界面态密度.电流密度为:.一-nq.v(+V.)+走r.Vn.(4)一-pq,v(v,)一rpv(5)式中能带参数V.和V.为:一+n()+n【,qVe一(x-x,)一cc一%,+n()+【参数和分别为:一一.qr一E.-E一一)_(卜.一【也和分别为电子和空穴的准费米势,可表示为:一等?n().(1o)一+等().,下标r代表参考材料的参数.选取GaAs为F参考材料.(2)界面态模型基本假设:根据K.Lee等及M.Takikawa等的实验结果,假定界面态为施矗r置,O图1调謦掺杂异质结界面志模盥.(9)晶主型.界面杰能级位于两导带底间且具有均匀的态密度.界面态的空间分布随着远离界面按指数衰减.如图1所示.由于调制掺杂异质界面处Fermi能级(或电子准Fermi能级)通常总位于窄带隙半导体导带底E以上,E以下禁带中的界面杰能级可认为完全被电子占半导体据,无栅调制充放电效应,对器件的影响不大,故假定界面态有效能级仅位于E和E之间是合理的.K.Lee等为解释调制掺杂结构中2DEG的低场迁移率,预期了一个类似枘分布.根据假设,界面态体密度可表示为:N,()一Nexp-(x一D),.(12)式中知为异质结界面位置,为表征衰减的系数,其意义为当一+时,界面态体密度衰减为最大值的1/e倍.我们取知一5JjI.界面态面密度可由下式表示:一j=B)一.?敬.NmN|z4.假定电高界面态密度服从Fermi-Dirac统计分布,即:一.E1+gexp-(EE)/T_(13)(H)(15)式中P一2为简并因子.令EEE.E一E一EmT/.一(EE.)/dr,则:一ttT.f1.pf一1kAxotLJ?+ln1+2exp(b)丽】.(16)(3)DX中心和表面态DX中心的引人是假定AIGaAs中为单一的等效深撬主能级EDE.由Fermi-Dirac统计得:一?(“)式中AE为等效施主能级相对于导带底的能量差,由实验测定.在Al摩尔分数一03时,EDE一60meV啪.表面态引起的表面电势效应通过设定表面电势引人等效法向电场来模拟.取典型的表面电势值为O5V.Newton迭代的初猜值,并对每次Newton迭代的解用截断法进行修正.在求解过程中,Fermi-Dirac积分l()用Bdnarczyk等”啪近似解折表达式计算,其微分采用Ltmdstrom等提出的一m(_)公式.本文工作是在Sum4工作站上进行的.B期相奇等:HEMT及其界面态效应的二维数值模拟49III.模拟结果及其讨论(1)曩拟墨件结构爰参蠹模拟器件的结构及几何参数如图2所示.材科参数均取自文献【l,】.栅势垒高度取O.8V.模拟温度为300K.濂橱漏o.6mo.m】m08m0m.nAl0jGao7AslGcm一i-A1o3Ga0AsiaAs(缓冲层02l取0._I-2图2模拟HEMT的几何结构及参数600Ao30A电势E醚摧目0趟崔,图3HEMT熟平衡电子浓度分布s横向电流密度圈yas_OV,r珊一4V时HEMT内部鞠强参量分膏E.0,IXXX啦”8E芝S越静糖半导体(2)HEMT内部物理参量分布及其讨论图3为热平衡HEMT电子浓度分布.由图可见电子浓度的峰值位于异质界面处本征GaAs一侧,构成所谓的二维电子气(2DEG).这即所谓的异质结调制掺杂效应.图4为一0V,V.一4V时的电势分布,电子浓度分布和横向(沿沟道方向)电子电流密度分布.从图4(a)中可以看出漏源电压有一部分降在磊端附近的异质结上,使异质结耗尽层扩展.相应区域的电子浓度,如图4(b)所示,要较热平衡时小得多(耗尽).这意味着漏端串联电阻会增大.实际HEMT结构中nGaAaCap层与nAIGaAs间类似的异质结效应会增大源串联电阻,为减小这一效应,通常在其间插入缓变层.从图4(c)可看出,横向电流主要集中在异质结界面处,这说明HEMT导电沟道主要是由异质结界面处的2DEG构成.这是HEMT的主要工作机制.(3)HEMT中的界面态效应图5为模拟的HEMT转移特性曲线.图5(a)给出了不同界面态面密度的模拟结果.由图可见漏电流随界面态密度的增大而增大.图5(b)显示了DX中心对HEMT转移特性的影响.DX中心使V.一0处的漏电流减小约30唠,其影响随负栅压的增大而减弱.界面态使漏电流增大的原因是界面态的电离(放电)使HEMT沟道中2DEG密度增大.而DX中心引起Fermi能级钉扎使2DEG密度减小,从而使漏电流减小.周6为与图5相应条件下栅中央下面2DEG薄层浓度与栅压的关系.对于界面态使2DEG密度增加,文献【3】也报道了一个完全类似的结果.名专(a)界面态敷应(b)DX中心效应N暑DON一Ixl0.皿I,eV-.口考虑DX中心.不考效应口tt盈0Of一1X10.c皿一eVAf一1X10”cmeVP”一.0VE之(b)DX中心效应口考虑DX中心O不考虑DX中心,.一lX10.cm一eVVDj一4.0V图7低颢导与栅偏压的关系l拘影响为最大.图8给出了不同界面杰密度的HEMT栅源电容与栅偏压的关系.低频条件意味着电容为准静态电容.如图所示.由于界面态充放电电容的引入,使HEMT准静态栅源电容有显着的增大,且随着负船压的增加,影响越大.这也意味着界面态的存在会影响HEMT的频率特性.综上模拟结果可知界面态对HEMT特性有显着影响.(4)讨论在本文模型中,界面态的复合效应没有考虑.由于模拟器件的栅长为lm.可预期复合效应不会很大.由于界面态电离密度与器件偏压有关,复合效应的考虑也比较复杂.界面态的散射效应,文献2】和3】均指出,在室温下与晶格散射相比可以忽略.在低温条半导体lI卷件下(如77K),则应考虑界面态的散射效应.我们的模拟分析表明对晶格匹配的AIGaAs/GaAsHEMT界面态的影响已很显着,可图8准静态cG一关系口NJtl0O_1X10.cmeV.ANrt1X10.Cm-.V一PD,置4.OV以预期对晶格失配的赝HEMT(如AIGsAs/InGaAsPHEMT),由于具有更高的界面态密度,界面态的影响将更为显着.IV.结论本文首次将调制掺杂异质结的界面态效应B1入到HEMT的二维数值模型中.界面态模型是基于已有的理论和实验研究结果.本文对1Pm栅长的常规结构HEMT进行了二维数值模拟,分析了HEMT的旭酣k”ram,ED一3l1902(1957)H.yeager”al,IBEBTram,ED-33.68l(1986)G.w.BrownfatSat-StateElectron.19.991(1976).K.H啊n”dlJEEETvans,ED.32(1985).DBedarezvk”atPL”64A409(197S).H.CcIq口J,Het*tc4tructuretaters,NewYork./,.etlcmicpress,l7I.23_56789HJ一8期相奇等:HEMT及其界面杰效应的二维数值模拟,O1TWODlinensionalNumericalSimulationofHEMTandInterfaceStatesEffectonHEMTXiangQi,LuoJinshengandZhuBingsheng(MicrleetronicTechloEylvisionJiaotomEUersitrXi口?710O49)AbstraetAmode1forinterfacestatesofmoduIationdopedheterojunctinnissuggested.Troducedntothetwofdimensionajnumerica1mode1ofHEMTforthefirsttimeAconventionalAIGaAs/GaAsHEMTsimulatedusingtwOfdimensjC.natIlodIbasedondriftfdillusionmodejofheterojunction.Byanalyzingtheintern&Idistributionsofphysicalparameters,theoperatingmech