分析毫米波GaN器件热电效应

当 GaNHEMT在较大漏极偏压下工作时,沟道电场特别是栅极漏侧电场峰产生的热电子会发射大量纵向光学(LO)声子对晶格升温,LO声子可以被其他电子重吸收,或者退化为横向光学(TO)声子和声学声子,其中只有声学声子将沟道内的热量传输到衬底,从而实现沟道的散热,但是这个过程大约需要350fs,远大于热电子激发LO声子的时间(约10fs),又由于GaN本身的强离子性,光学声子的群速度接近零,故大量的纵向光学声子在沟道内集聚,成为散热的障碍,从而导致器件载流子迁移率降低,漏电流在饱和区会随着漏源电压的升高而下降,这种现象称为“自热效应”。自热效应不仅导致 GaN HEMT微波功率输出能力降低,还会影响器件的可靠性。因此从提高模型的预测精度和指导器件设计优化、提高可靠性的考虑出发,器件热电模型都是GaN HEMT大功率器件必须考虑的重要问题。本文将从器件件热产生机理和物理模型出发,分析毫米波GaN器件热电效应,为建立适合热电等效电路模型拓扑提供重要的理论依据。

针对热效应机理和热电模型,我们将着重考虑热导率和饱和速率随晶格温度的变化。由于热电效应最直接的外部反映是就是直流I-V特性,因此这里主要模拟GaN HEMT器件的直流特性曲线。通过编写 Silvaco程序来模拟 GaN HEMT器件的特性曲线,再与实验曲线作对比,获得准确的模型参数。

图1为利用上述方法建立的包含热电效应的 GaN HEMT物理模型,仿真和实测结果比较表明该方法建立的物理模型具有较高精度,能准确反映器件的自热效应。

图1 包含自热效应的物理模型I-V仿真和实测结果比较

图2为利用该模型在考虑自热效应和不考虑自热效应的情况下模型仿真结果对比。可以看出在考虑自热效应和不考虑自热效应两种情况下漏电流的差异明显,原因是如果不考虑自热效应,则认为沟道温度是定值,而实际上当漏源电压升高时,耗散功率变大,异质结温度升高,电子迁移率减小,引起饱和漏源电流下降。

图2 考虑自热效应和不考虑自热效应的物理模型仿真结果对比

为进一步分析器件内部温度分布,基于Silvaco中建立的物理模型可以对不同材料和不同器件结构的GaN HEMT进行热分析。图3为利用GaN HEMT物理模型对蓝宝石衬底(左)和SiC衬底(右) GaN HEMT的热分布仿真,可见,在相同功耗下,SiC衬底的HEMT内部温度远低于以蓝宝石为衬底的HEMT的内部温度,自热效应相应也不如后者明显,能更大限度发挥GaN的材料优势。该分析结果与实际器件测试结果吻合,充分证明了该方法的可行性。

图3 GaNHEMT内部热分布

可见通过建立包含热电效应的GaN HEMT器件物理可以有效分析器件热电效应和器件背部热分布,从而可更好地指导热电等效电路建模和器件结构设计。

利用上述方法,建立包含自然效应的0.15µm栅长GaN HEMT器件物理模型,得到器件的直流I-V特性曲线和内部温度分布,分析器件结构对沟道温度分布的影响。仿真分析的单指器件结构如图4所示,包括80µm的SiC衬底、2µm的GaN缓冲层、1nm的AlN插入层和20nm的AlGaN势垒层(Al摩尔组分为0.26),SiN钝化层厚度为100nm。器件的栅长为0.15µm,栅源距离为1µm,栅漏距离为2µm,漏源欧姆接触电阻设置为0.26Ω·mm。

图4 0.15µm栅长 GaNHEMT器件结构示意图

GaNHEMT器件的直流仿真包括Ids-Vds特性曲线、Ids-Vgs特性曲线和gm-Vgs特性曲线。图5为器件的Ids-Vds曲线,其中实线为不考虑自热效应的Ids-Vds特性曲线,方块为考虑器件自热效应的lds-Vds特性曲线。仿真时器件的栅源电压从1V变化到-4V,步长为-1V。从图5中可以看出,当栅压为-4V时,器件处于截止状态。

图5 器件Ids-Vds特性曲线

从Ids-Vds曲线图可以看到,随着漏源电压的增大,考虑自热效应的直流Ids-Vds曲线和不考虑自热效应的Ids-Vds。曲线相比,漏源电流有明显的下降。这是由考虑自热效应时,器件的沟道温度随着漏压的增大而升高导致沟道载流子迁移率的下降所造成的。同时也注意到,随着栅源电压的增大,漏源电流下降的幅度也增大。图6为漏源电压Vds=14V时不同栅压下器件沟道温度峰值的分布曲线,可以看出,当栅压增加时,沟道温度急剧上升。在对GaN HEMT器件进行降额设计时，应控制器件的栅压处于合适的范围内,从而达到对器件沟道峰值结温的控制,增加其可靠性。

图6 不同栅压下器件沟道温度峰值

器件的lds-Vgs和gm-Vgs曲线如图7所示。其中,实线为Ids-Vds特性曲线,方块为 gm-Vgs特性曲线。方块为gm-Vgs特性曲线。从图7中可以看出,器件的阈值电压为-3.5V,与图6的分析一致,器件在栅压为-2V时获得最大跨导325mS/mm。

图7 器件的lds-Vds和gm-Vgs特性曲线

栅压为0V，漏压为15V时器件沟道温度和电场分布曲线如图8所示。

图8 器件沟道温度和电场分布曲线

从图8可以看出,热源主要集中于栅极底部,靠近漏极一侧,与强电场区域相对应。此时器件的沟道由于受到强电场的加速以及声子间、声子与电子间、声子与杂质原子间的散射等,载流子与晶格间发生能量交换,局部晶格的温度迅速升高,而晶格温度的升高又引起载流子散射几率的增大,如此循环、恶化使该区域的温度急剧升高,这就解释了器件的热生成机制,同时也确定了热生成区域。器件结构参数对沟道温度的影响如下。

1)栅源距离对沟道温度的影响
仿真时固定器件的栅漏距离为2µm,栅源距离从1µm变化到2µm。仿真得到的器件沟道峰值温度及漏源电流随栅源距离变化的曲线如图9所示。从图中可以看出,随着栅源距离的减小,沟道温度上升,但漏源电流也随之增大。说明随着栅源距离的减小,沟道温度上升对漏源电流的影响小于距离减小的影响。

图9 不同栅源距器件沟道温度峰值和漏源电流曲线

2)栅漏距离对沟道温度的影响
固定器件的栅源距离为1µm,栅漏距离从1µm变化到3µm,步长为0.5µm。仿真得到的器件沟道峰值温度及漏源电流随栅漏距离变化的曲线如图10所示。从图中可以看出,随着栅漏距离的减小,沟道温度有所上升,漏源电流也有一定幅度的增大。对比图9,栅漏距离对沟道温度和源漏电流的影响不是很大。

图10 不同栅漏距器件沟道温度峰值和漏源电流曲线

3)栅指对沟道温度的影响
图11为单指、双指、四指和八指器件沟道温度分布曲线,仿真时栅源电压为0V,栅漏电压为15V,处于饱和工作状态。可以看出,热点出现在栅指处,且中间栅指温度高于边缘栅指温度,说明中间栅指承受的热耗散功率高于边缘栅指。设计器件时,可以通过增大中间栅指间的距离来降低中间沟道温度的峰值。

图11 不同栅指器件沟道温度分布曲线

GaN HEMT工作时的温度分布如图12所示,可以看出自热导致热量主要集中于沟道中靠近漏极一侧的栅极边缘,这主要是由于此处的电场强度最大。

图12 GaN HEMT红外成像(IR)热分布图

温度升高引起电子迁移率降低,低场电子迁移率随电子浓度和温度的变化可以用如下公式表示：

如图13所示,随着温度的升高,电子迁移率逐渐下降,由电流公式可知,相应的漏极电流也会减小,从而降低了器件的输出功率大小。因此,自热效应是制约微波毫米波 GaN HEMT功率性能的重要因素。

图13 GaNHEMT电子迁移率随电子浓度及温度的变化

审核编辑 ：李倩