AlGaN-GaN高電子遷移率晶體管的模型研究.pdf

1、氮化鎵是近十幾年來迅速發(fā)展起來的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料之一，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐高溫、耐腐蝕，非常適合于制作抗輻射、高頻、大功率和高密度集成的電子器件以及藍(lán)光、綠光和紫外光電子器件。所有這些優(yōu)良的性質(zhì)，很好的彌補(bǔ)了前兩代Si 和AsGa 等半導(dǎo)體材料本身固有的缺點(diǎn)，從而成為飛速發(fā)展的研究前沿。 AlGaN/GaN 高電子遷移率晶體管(HEMTs)，是以AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)材料為基礎(chǔ)而制造的GaN 基器件。與傳統(tǒng)的MESFET

2、 器件相比，AlGaN/GaN HEMTs 具有高跨導(dǎo)、高飽和電流以及高截止頻率的優(yōu)良特性。另外，實(shí)驗(yàn)證明，GaN 基HEMT在1000K 的高溫下仍然保持著良好的直流特性。從而減少甚至取消冷卻系統(tǒng)，使系統(tǒng)的體積和重量大大降低，效率大大提高。由于GaN 材料的熱導(dǎo)率較高、熱容量大，特別是它有著較高的擊穿電場(chǎng)。這極大地提高了GaN 器件的耐壓容量、電流密度，使GaN 功率器件可以工作在大功率的條件下。 隨著GaN 材料制造工藝的不

3、斷改進(jìn)和制造成本的下降，AlGaN/GaN HEMT器件必將在高溫、大功率、高頻、光電子、抗輻照等領(lǐng)域取得廣泛的應(yīng)用。雖然人們對(duì)GaN 基微波功率器件的研究工作已經(jīng)持續(xù)了多年，深度和廣度已經(jīng)達(dá)到了前所未有的水平，但是真正商業(yè)化的AlGaN/GaN HEMT 功率器件仍然尚未問世。這里面有諸多原因。除了可靠性及GaN 缺陷密度等問題尚未解決外，當(dāng)HEMT 器件工作于大功率、高溫的環(huán)境時(shí)，會(huì)產(chǎn)生明顯的“自熱效應(yīng)”。引起附加的功率損失和電流輸

4、出能力的下降，進(jìn)而降低器件的微波性能，甚至引起功能失效。另一方面對(duì)于在微波領(lǐng)域有著良好應(yīng)用前景的AlGaN/GaN HEMT ，由于GaN基器件發(fā)展歷史相對(duì)較短，對(duì)AlGaN/GaN HEMT 的大信號(hào)小信號(hào)建模理論研究成果較少，還主要沿用MESFET 的相關(guān)模型。由于HEMT 與MESFET 的工作原理有所不同，在加上AlGaN/GaN HEMT 器件有其自身的特點(diǎn)，所以套用這些模型誤差在所難免。因此建立適合AlGaN/GaN HEM

5、T 的大小信號(hào)模型是目前理論研究需要努力的方向。以上這些問題的研究都是推進(jìn)AlGaN/GaN HEMT 商業(yè)化生產(chǎn)進(jìn)程中十分重要的步驟。 本課題圍繞以下幾個(gè)方面展開具體工作： （1）針對(duì)HEMT 器件的自熱效應(yīng)，提出了一種用于分析AlGaN/GaN HEMT I-V特性的數(shù)值計(jì)算模型，在算法上轉(zhuǎn)化為迭代求解泊松方程、薛定諤方程和費(fèi)米分布。分析了自熱效應(yīng)的起因，以及這種效應(yīng)對(duì)二維電子氣濃度分布和漏電流的影響。在此過程中引入

6、了一系列與溫度和Al 含量有關(guān)的參數(shù)，如導(dǎo)帶斷續(xù)、載流子遷移率、極化效應(yīng)、電子飽和漂移速度、熱導(dǎo)率等。而且提出了器件襯底底部溫度sub T 為非恒定的模型。采用此模型的模擬結(jié)果與國(guó)外發(fā)表的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致性很好，而這些因素的考慮未影響模型運(yùn)算的迭代收斂性，也未明顯增加計(jì)算量，因此在大功率AlGaN/GaN HEMT 的研究過程中，這一模型適合于包括“自熱效應(yīng)”在內(nèi)的器件溫度特性分析。 （2）在以上數(shù)值分析模型的基礎(chǔ)上，分別計(jì)算了不同

7、溫度時(shí)HEMT 器件漏電流與柵電壓以及跨導(dǎo)與柵電壓之間的關(guān)系，并與實(shí)驗(yàn)值做了對(duì)比，模擬的結(jié)果比較好的反映了實(shí)際情況。計(jì)算結(jié)果表明當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，AlGaN/GaN HEMT 器件的襯底底部與溝道之間的溫度差會(huì)變得較大。這種現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致溝道中電子遷移率降低，從而使器件的跨導(dǎo)進(jìn)一步下降，微波特性變差。 （3）從小信號(hào)線性分析入手，詳細(xì)討論了AlGaN/GaN HEMT 小信號(hào)等效電路模型，給出了S 參數(shù)法提取寄生元件和本征元件的詳細(xì)

8、過程。特別地，提出了一種專門針對(duì)AlGaN/GaN HEMT 器件，基于S 參數(shù)測(cè)量值的參數(shù)提取模型。這個(gè)模型具有簡(jiǎn)單易行，精度較高的優(yōu)點(diǎn)。尤其是不用參數(shù)優(yōu)化，免去了大量的計(jì)算過程。我們應(yīng)用一組實(shí)際測(cè)量的AlGaN/GaN HEMT 小信號(hào)S 參數(shù)進(jìn)行了比較驗(yàn)證，結(jié)果比較令人滿意。并得出結(jié)論，在提取出寄生參數(shù)后，應(yīng)用較高頻率的S 參數(shù)來提取本征參數(shù)。小信號(hào)的分析方法能夠推廣于大信號(hào)分析，為非線性分析提供必要的支持。 （4）總結(jié)了

9、幾種常見的AlGaN/GaN HEMT 器件大信號(hào)直流I-V 特性模型。并且較為詳細(xì)地分析了AlGaN/GaN HEMT 器件大信號(hào)電容模型。在考慮了柵電壓與源漏電流的關(guān)系以及在不同柵電壓區(qū)ds I 隨ds V 的變化斜率不同的基礎(chǔ)上，以Materka模型為數(shù)學(xué)模型框架，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型的簡(jiǎn)明特點(diǎn)，提出了一種改進(jìn)的I-V 特性模型。對(duì)AlGaN/GaN HEMT 器件大信號(hào)的輸出特性進(jìn)行精確的描述。采用這個(gè)模型計(jì)算了AlGaN/GaN