Физика/2. Физика твердого тела.

Пушкарева К.В, Федин И.В., Федина В.В.

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина 40

Моделирование омических контактов к гетероструктуре AlGaN/GaN в среде Silvaco TCAD

Аннотация

В данной работе представлены результаты моделирования омических контактов к гетероструктуре AlGaN/GaN в среде Silvaco TCAD. Представленная модель учитывает пьезоэлектрические свойства полупроводников, низкополевую и высокополевую подвижности и эффекты рекомбинации носителей заряда.

Введение

Технология широкозонных полупроводников, таких как нитрид галлия (GaN - Eg = 3,49 эВ), в настоящее время является одной из самых интенсивно разрабатываемых в области электронной техники экстремального и военного применения. Прогнозы развития нитридных технологий показывают, что наиболее перспективными для изготовления мощных приборов микро- и наноэлектроники являются гетероструктуры AlGaN/GaN. Электрофизические параметры подобных систем позволяют создавать приборы с удельной электрической мощностью более 10 Вт/мм, что значительно превышает предельные параметры устройств на основе гетероперехода AlGaAs/GaAs [1, 2].

Моделирование позволяет сократить время и стоимость экспериментальных работ для проверки влияния различных параметров гетероструктуры и геометрии омических контактов (ОК) на выходные характеристики, а также позволит разрабатывать новые технологические решения для повышения эффективности ОК.

Основная часть

В работе использовалась гетероструктура на основе AlGaN/GaN, представленная на рис. 1.

Рисунок 1 – Гетероструктура AlGaN/GaN с омическими контактами

Структура включала в себя буферный слой GaN толщиной 0,5 мкм, нелегированный канал из GaN (45 нм), барьерный слой на основе Al_xGa_1-xN толщиной 15 нм. В качестве металлизации ОК использовался Ti. На рис. 2 приведено распределение концентрации электронов по структуре.

Рисунок 2 – Распределение концентрации электронов по гетероструктуре AlGaN/GaN

Из рис. 2 видно формирование двумерного электронного газа (2DEG) в области канала - на границе двух полупроводников с различной шириной запрещённой зоны (GaN и AlGaN). На рис. 3 представлена зонная диаграмма моделируемой структуры и распределение концентрации электронов в канале.

Рисунок 3 – Зонная диаграмма (а) и распределение концентрации электронов в канале (б) моделируемой гетероструктуры AlGaN/GaN

Из рис. 3 видно формирование гетероперехода (рис. 3 а) и двумерного электронного газа (рис. 3 б) на границе AlGaN/GaN. Таким образом, можно заключить, что проводимость моделируемой структуры будет определяться концентрацией электронов в 2DEG, формируемом квантовой ямой на границе двух полупроводников AlGaN и GaN, что соответствует действительности [3]. В данной работе проводилось исследование влияния мольной доли алюминия в барьерном слое AlGaN на вольт-амперные характеристики (ВАХ) омических контактов к гетероструктуре AlGaN/GaN (рис. 4).

Как видно из рис. 4, увеличение мольной доли Al в барьерном слое AlGaN приводит к росту тока через омические контакты, что соответствует действительности [3].

Рисунок 4 – Влияние мольной доли алюминия в барьерном слое AlGaN на ВАХ ОК к гетероструктуре AlGaN/GaN

Так же в данной работе исследовалось влияние расстояния между электродами (L) на ток через ОК (рис. 5).

Рисунок 5 – Влияние расстояния между электродами (L) на ток через ОК

Как видно из рис. 5, увеличение расстояние между электродами приводит к снижению тока через ОК, что является следствием увеличения сопротивления проводящего канала.

Заключение

В данной работе проводилось моделирование омических контактов к гетероструктуре AlGaN/GaN в среде Silvaco TCAD. Используемые модели позволяют добиться физической достоверности формирования двумерного электронного газа (2DEG) в проводящем канале на границе двух полупроводников с различной шириной запрещённой зоны. 2DEG формируется в результате образования квантовой ямы на границе AlGaN/GaN что является следствием пьезоэлектрических эффектов. Используемая модель позволяет учесть влияние мольной доли алюминия и расстояние между электродами на величину тока через омические контакты к гетероструктуре AlGaN/GaN.

Литература

1 Гольцова М. Мощные GaN – приборы: истинно революционная технология // Электроника. 2012 вып. № 4 (00118) с. 86-100.

2 Гольцова М. Силовая полупроводниковая электроника // Электроника. – 2014. - вып. № 4 (00135) с. 54-70.

3 Bahat – Treidel, E. GaN – based HEMT’s for high voltage operation design, technology and characterization: M.Sc.Eng.: E. Bahat – Treidel – Berlin, 2012 – pp. 207.