AlGaN-GaN高電子遷移率晶體管器件建模及特性研究.pdf

1、相比于其他很多半導(dǎo)體材料，GaN材料具有很大的帶隙寬度、較大的飽和漂移速度、不錯(cuò)的熱穩(wěn)定性，高擊穿電場(chǎng)等特征，這使得它能夠被很好的應(yīng)用于抗輻射、高頻、大功率以及光電子器件領(lǐng)域。AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管（HEMTs）就是基于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料制造的GaN基器件，該類器件在高跨導(dǎo)、大飽和電流以及高截止頻率方面有著很出色的表現(xiàn)。本文詳細(xì)介紹了AlGaN/GaN HEMT的結(jié)構(gòu)及工作原理。從器件物理角度出發(fā)，研究了AlGa

2、N/GaN HEMT費(fèi)米能級(jí)與二維電子氣濃度的關(guān)系和電荷控制模型，并探討學(xué)習(xí)了器件的電流崩塌效應(yīng)以及抑制電流崩塌效應(yīng)的措施。
　?。?）基于對(duì)大量資料的查閱，分析了AlGaN/GaN HEMT的工作原理。它是通過(guò)柵極下面的肖特基勢(shì)壘來(lái)控制AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)中的二維電子氣（2DEG）的濃度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的控制。所以HEMT的核心部分是摻雜的AlGaN層與未摻雜的GaN層之間的異質(zhì)結(jié)。在未摻雜的GaN一側(cè)的二維電子氣與摻雜的A

3、lGaN那一側(cè)的施主雜質(zhì)原子在空間上是隔離的，這減少了它們之間的散射，從而提高了載流子的遷移率，器件的特性隨之大大增強(qiáng)。二維電子氣除了從摻雜 AlGaN材料轉(zhuǎn)移電子和GaN溝道層雜質(zhì)貢獻(xiàn)電子外，還有一個(gè)很重要的來(lái)源就是壓電極化和自發(fā)極化效應(yīng)誘生電子的貢獻(xiàn)。
　　（2）電流崩塌效應(yīng)是制約AlGaN/GaN HEMT器件在微波大功率領(lǐng)域大量應(yīng)用的主要因素。深入學(xué)習(xí)了電流崩塌效應(yīng)，并且基于眾多文獻(xiàn)總結(jié)了兩種主要的能合理解釋電流崩塌效應(yīng)的

4、機(jī)制。特別的，我們歸納了幾種能夠抑制電流崩塌效應(yīng)的方法，通過(guò)對(duì)一些前人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果的分析對(duì)這些方法做了深入的研究。
　　（3）提出了兩個(gè)新的描述HEMT費(fèi)米能級(jí)與二維電子氣濃度（ns）關(guān)系的非線性關(guān)系式。與其他的近似式做比較，發(fā)現(xiàn)我們提出的關(guān)系式在器件整個(gè)工作區(qū)域內(nèi)都同費(fèi)米能級(jí)與二維電子氣濃度的精確數(shù)值求解結(jié)果更加吻合。以這兩個(gè)表達(dá)式為基礎(chǔ)，又得到了他們各自的二維電子氣濃度ns與柵壓的關(guān)系。與前人的近似做比較，發(fā)現(xiàn)提出的關(guān)

5、系式的關(guān)于ns與GofV/V的解與精確地?cái)?shù)值解有著更好的吻合，而且在不同溫度下大的工作范圍內(nèi)都是如此，特別的，提出的近似模型在亞閾值區(qū)域做了很大的改進(jìn)。提出的第二個(gè)電荷控制模型對(duì)應(yīng)的表達(dá)式的結(jié)構(gòu)比第一個(gè)的要簡(jiǎn)單些，它能夠被更方便的使用。除此之外，第二個(gè)模型關(guān)于ns與VG的解析表達(dá)式的解與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在很大的柵壓變化范圍內(nèi)其都與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合的非常好。這足以說(shuō)明這個(gè)適用于亞閾區(qū)到高導(dǎo)區(qū)的解析表達(dá)式的有效性，其可以用在后續(xù)開(kāi)發(fā)HEM