HEMT器件常见问题优化方案：

尽管InAs／AlSbHEMT 器件利用δ面掺杂和InAs材料作为沟道提高了器件电子速度和浓度，但是在外延结构的设计上，在HEMT 器件优良的性能和器件的稳定性方面进行了折中。窄禁带宽度InGaAs材料的晶格匹配或者赝配InP HEMT 器件都暴漏出了一些问题：断开状态下的碰撞离化效应，器件的击穿和Kink效应。下面就这三个问题进行讨论。

碰撞离化效应

碰撞离化效应是指高能电子与晶格原子碰撞损失了能量，价带中电子得到能量被激发到导带，同时产生一个空穴。当半导体耗尽区（比如大反偏电压作用于P-N 结二极管或者肖特基二极管）施加强电场时，被激发出来的电子空穴对经过这个区域时，在强电场作用下产生加速。同时，激发出来电子空穴对和晶格继续发生碰撞。在载流子有较低能量时，碰撞不发生离子化，仅仅被改变了原来的运动方向。如果载流子有较高的能量，和晶格碰撞后，就把价带电子激发出来，产生电子空穴对。如2.14描述了一个原始电子碰撞激发的过程。

图2.14　碰撞离化产生电子空穴对

这个碰撞离化过程发生后，最初的载流子和新激发出来的电子空穴对，在外界电场的作用下继续进行加速运动，继续碰撞，激发出新的电子空穴对，如此继续，载流迅速增加，这个效应称为雪崩倍增效应。碰撞离化过程用碰撞离化系数来表达，定义为每单位长度碰撞离化的载流子数量。总的来讲，碰撞离化会影响到载流子平均自由程、电子空穴临界能量和电子空穴漂移速度的大小。晶格方向也影响许多半导体的碰撞离化系数。

InAs／AlSbHEMT 器件也遭遇了碰撞离化效应。一方面，因为InAs材料的禁带宽度很小，导致有小的电压就可以发生离化。另一方面，InAs材料有大的Γ-L能谷差值EΓ-L=0.55eV，所以电子有小的机会分散到其他能谷。这样延长了电子平均自由程，加强了碰撞离化效应。

击穿(www.xing528.com)

器件输出电导快速升高，漏电流迅速提高，击穿发生。击穿可以发生在关断（pinched-off）状态和导通（on-state）状态。InAs／AlSbHEMT 器件的击穿分为断开状态击穿和导通状态击穿，取决于栅极和漏端所加电压的条件。断开状态击穿是器件能保持沟道断开条件（VGS ＜VT）的最大电压。断开状态击穿的原理被认为是栅到沟道热电子场发射和沟道离化效应的综合影响。在反偏栅电压下产生的电子首先通过热电子场发射注入到InAlAs势垒层，电子进入沟道时，产生碰撞离化，电子得到能量，最后引起遂穿的过程。Somerville等人证明决定HEMT 器件关断状态击穿电压的参数是二维电子气载流子浓度（Ns），肖特基势垒高度（Φb）和温度。Bahl等人也发现关断状态击穿电压有负的温度系数。所以，关断状态击穿电压由低电场时热电子场发射和高电场时离化效应来决定。导通状态击穿是在导通状态下，栅极电压大于阈值电压，此时击穿电压。离化效应是支配导通状态下，升高温度而导致击穿的主要机构。

InAs／AlSbHEMT器件特别容易发生击穿，因为InAs沟道是窄禁带宽度材料，同时AlSb势垒层和缓冲层也增加了碰撞离化可能性，栅极较小的势垒高度。击穿限制了HEMT器件的最大电压和输出电流。很多方法用来改善击穿，比如双沟道器件可以把电子转移到宽带隙沟道材料来减弱碰撞离化效应，或者调整沟道厚度来控制量子阱限制。

Kink效应

HEMT 器件的Kink效应是在给定栅和漏电压情况下，漏电流出现反常的提高，这是不希望发生的非线性现象。这个漏电流反常提高是不可预见的，同时也引起高频条件下增益减小和噪声增大，这在电路设计中都是不稳定因素。此外，这个反常增加的漏电，使得饱和漏电流变化，所以器件出现了相对高的输出电导。如图2.15是InAlAs／InGaAsHEMT器件Kink效应。

图2.15　InAlAs／InGaAsHEMT 的I-V 曲线中Kink效应

Kink效应首先是由于InAlAs缓冲层。当漏端电压增加时，陷阱捕获高能电子被释放掉，漏电流发生异常提高。改善Kink 效应的方法，比如InAlAs／InGaAsHEMT 器件制造中，InGaAs和InP材料用InAlAs材料做缓冲层，这样可以降低缺陷密度。也有方法低温（150 ℃）生长InAlAs缓冲层为了控制缓冲层电子的捕获行为。有些报道认为Kink效应是由于In-GaAs沟道。当漏端电压增加时，最初在栅极产生的一定数量的碰撞离化粒子，会延伸运动到漏端。近期，Somerville等人构建了Kink效应动态模型，认为漏电增大，会产生阈值电压改变。在高电场时，碰撞离化会在沟道中产生电子空穴对。而部分空穴有可能遂穿过势垒，产生栅极漏电流。而剩下的空穴则到达器件源端，通过复合达到平衡。这些积累的空穴提高了源端沟道电势，导致器件本身阈值电压的改变。

很多方法被用来减弱InAlAs／InGaAs HEMT 的Kink效应。InGaAs／InP合成沟道是通过提高沟道禁带宽度来减小Kink效应。InP层被插入帽层和势垒层之间，通过改变高电场的分布，来减小Kink效应。