亞微米線性AlxGa1-xN-AIN-AlyGa1-yN-GaN HEMT研究與建模.pdf

1、AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)由于其高擊穿電壓和高頻性能成為下一代無線基站及軍事應(yīng)用中功率放大器具有潛力的器件。從第一只AlGaN/GaN HEMT問世至今,AlGaN/GaN HEMT在DC和RF性能上都有了很大改善,器件應(yīng)用方面也取得了很大進(jìn)展,這與材料品質(zhì)與器件加工工藝的巨大發(fā)展是分不開的。但是現(xiàn)在仍有很多問題亟需解決:如在理論方面,我們對GaN的了解遠(yuǎn)不如Si、GaAs等材料的了解程度,而且為了更好地開發(fā)AlG

2、aN/GaN HEMT作為高頻和大功率器件,常規(guī)AlGaN/GaN HEMT的局限性逐漸暴露,如器件的線性度。為了更好地改善性能,需要研究更好的器件結(jié)構(gòu),因此,器件在性能上仍有很大的提升空間；另一方面,由于AlGaN/GaN HEMT器件的發(fā)展歷史較短,關(guān)于該器件大小信號等效電路模型的研究成果不多,缺少精確的大信號小信號模型。
　　 最近幾年,對AlGaN/GaN HEMT器件外延層進(jìn)行優(yōu)化,尤其是溝道區(qū)的優(yōu)化引起了我們的注意。

3、目前已進(jìn)行的工作有,在AlGaN/GaN HEMT器件中插入一個(gè)低Al組分的AlGaN層,即AlxGa1-xN/AlyGa1-yN/GaN復(fù)合溝道HEMT(CC-HEMT),能有效地改善器件的線性度,本論文在這個(gè)研究成果的基礎(chǔ)上,進(jìn)行新型器件的設(shè)計(jì),并開展參數(shù)提取和大信號模型建立。本文的主要內(nèi)容包括以下幾點(diǎn):
　　 首先文章設(shè)計(jì)了能滿足線性功率器件應(yīng)用的亞微米復(fù)合溝道GaN HEMT結(jié)構(gòu),從AlGaN/GaN HEMT的能帶理論

4、和載流子輸運(yùn)的工作原理出發(fā),自洽求解泊松方程和費(fèi)米分布,得到異質(zhì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)和異質(zhì)結(jié)界面處的二維電子氣濃度分布和電場分布等特性,分析HEMT器件縱向結(jié)構(gòu)中各外延層的設(shè)計(jì)特點(diǎn),然后結(jié)合Silvaco TCAD軟件仿真器件Ⅰ-Ⅴ特性,最終確定的最佳外延結(jié)構(gòu)為Al0.27Ga0.73N/AlN/Al0.04Ga0.96N/GaN HEMT,其中勢壘層Al0.27Ga0.73N層的厚度為22nm,復(fù)合溝道層Al0.04Ga0.96N的厚度為8n

5、m。對柵長0.3μm柵寬100μm的器件仿真結(jié)果表明,在柵極電壓-4V到-2.5V的寬范圍內(nèi)跨導(dǎo)變化很小,對亞微米結(jié)構(gòu)的HEMT器件來說,表現(xiàn)了良好的線性度。并且在這個(gè)器件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上仿真了器件的熱效應(yīng)。
　　 然后,從建模的角度考慮,設(shè)計(jì)了不同尺寸的系列器件并進(jìn)行了流片和測試分析。通過比較復(fù)合溝道器件Al0.27Ga0.73N/AlN/Al0.04Ga0.96N/GaN HEMT與相同工藝條件下常規(guī)器件Al0.27Ga0.73

6、N/AlN/GaN HEMT的DC特性、小信號特性和大信號特性,表明設(shè)計(jì)的新型器件比常規(guī)器件確實(shí)表現(xiàn)出更好的線性度。通過比較測試結(jié)果與仿真結(jié)果,證明理論分析和仿真結(jié)果具有明確的指導(dǎo)意義,可以避免盲目地進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以節(jié)約時(shí)間和成本。測試結(jié)果表明設(shè)計(jì)的復(fù)合溝道GaN HEMT在亞微米尺寸下也具有較高的線性度。
　　 最后從小信號入手,討論了用于微波電路設(shè)計(jì)的HEMT等效電路模型,分析模型的參數(shù)提取方法,給出了S參數(shù)法提取寄生元件和本