（微电子学与固体电子学专业论文）algangan+hemt高温特性的研究.pdf

摘要 摘要 g a n 基材料具有禁带宽度大、临界击穿电场高、电子饱和速度大、导热性 能好等优良特性，因而利用a l g 删g a n 异质结制作的h e m t ( 高电子迁移率晶 体管) 引起了人们的广泛关注。利用a l g a n g a nh e m t 制作的大功率微波器件 可应用于汽车、航空航天及能源开采等高温工业的电子设备中。由于在这些应用 中器件的工作环境温度很高，因而有必要对h e m t 器件的高温特性进行研究。 本论文介绍了空气桥结构a 1 g a n g a nh e m r 的制备流程，并对其室温及高温特 性进行了研究分析；文中最后给出了器件内部热特性的模拟结果，为优化h e m t 器件的高温特性提供了参考。 根据理论及设计经验，并考虑到工艺的要求，设计了栅长为1 u m ，栅宽分别 为1 0 0 哪、3 0 0 岬、5 0 0 m 、1 0 0 0 m 的舢g a n g a nh e m t ，其源极采用空气桥 连接。源极及漏极采用t “a 】用，a u 欧姆接触系统；栅极采用p 饥u 肖特基接触系 统。 随后对a 1 g a n g a nh e m t 器件的直流特性及频率特性进行了测试，跨导g m 在v g s = 2 0 5 v 取得最大值，为9 0 2 m s 如m ；v g s 司v 时的最大饱和漏极电流i d s = o 4 5 7 3 a ，m m ：v d s - 1 2 v ，v g s l v 时，截止频率为4 8 g h z 。莉，a l 仍，a u 合金 系统的欧姆接触电阻率采用t l m 方法进行测量：c v 测试方法用于测试p 饥钿 与应变的砧g a n g a n 异质结形成的肖特基势垒。并根据测试的s 参数及直流特 性结果提取了a j g a n g a nh e m t 的小信号模型及非线性大信号模型。 为了对a 1 g a n g a nh e m t 的高温特性进行研究，首先测试了器件在2 5 到 2 5 0 之间的输入输出特性及转移特性，得出最大饱和漏极电流i d s ，s a t 、峰值跨 导g m ，一均具有负温度系数，发现灿g a n g a nh e m t 的直流参数随温度的升高 而退化。根据高温下的测试数据提出了能够基本准确的描述器件高温性能的非线 性大信号模型。为了进一步分析h e m t 在高温下的热分布，采用有限元分析法 模拟了其在室温及2 5 0 下的稳态温度场分布。 最后，根据以上分析研究，提出了在高温下工作的a 1 g a n g a nh e m t 器件 需要采用热导率高的衬底，生长缺陷低的外延材料，m o s 结构，倒装焊封装方 北京工业大学工学硕士学位论文 式等。 关键词g d g a nh e m t 高温特性小信号模型大信号模型热分布 a b s 仃a c t g a nb 船e dm a t c r i a lh a v es u p 甜0 rp h y s i c a ip r o p e n i e ss u c ha sw i d eb a i l d g a p h i 曲 b r e a k d o w nf i e l da n dh i g l ls 曲h a t i o ne l e m o nd r i f tv e l o c i t y nh a s 船a c t c dm o r ea n d m o r c 毗e i 岖o n a l g a n ，g a nh 脚ma r ee x c e l l e tc a i 删a t ef o r 也e s ea p p l i c a t i o n sa t m i c r o w a v e ，1 1 i 曲p o w 鸥a 1 1 dh i 曲t c i 】1 p 蹦曲r cd 嘶c c nc a i lb eu s e di n 廿l ee l e c 廿o i l i c e q u i p m to fl l i g ht e m p e r a t i l r ei i l 小l s 咄s u c h勰a u t o m o b i l e ，a i r c m n ，e n 唧 e x p l o i t a t i o na n ds oo n s oi t sn e c e s s a r yt 0s t l l d y1 l i g ht e m p 盯a h l r ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ed e “c e ，i k sm e s i si n 订o d u c e dm en o wo ff a b r i c a t 堍m g a n g a nh e m rw h i c l l 锄p l o y e da i r - b r i d g e a n d s t l l d y m er o o mt c m p 盯a t u r ea n d1 1 i g h t e m p e f a _ h 】r e p e r f b n n a n c e a tl 船t ，w es i m u l a t o dm em 锄a ld i s t r f b l n i o no f 也ed e 、，i c et 0o p t i m i z c 也eh i 曲t 锄p e r 眦ep 刊f b 皿a l l c e b a s e do nm em e o r ya 1 1 dc x p c r i e n c e ，w ed e s i 弘c d 舢g a n ，g a nh e m tw h o s eg a t e l e n g c hi s1 岫a 1 1 dd i 傣鹏n t 州d t l lg a t e ，s u c ha s1 0 0 啤1 ，3 0 0 岬，5 0 0 斗m ，1 0 0 0 岬a n d m es o u r c ew a sc o n n e c t e db ya i r - b r i d g e s o u r c ea n dd r a i ni so h m i cc o n t a c t t h e m e t a l l i cs y s t 锄i s 卧l i 姚u g a t ei ss c h o t t k yc o n t a c t n em 如1 1 i cs y s t 锄i sp 似u 1 1 1 ep e r f b r i i l 肌c eo fa 1 g a n g a nh e m tw a st e s t e da tm o m t 锄p c r a t w e 1 1 1 ep e a l 仃弛s c o n d u c t a n c ei s9 0 2 m s m m w h e n 、，o s i s2 0 5 vt h ed r a i nc u 1 ti s o 4 5 7 3 m mw h e l lv g si s “n e c u t o 开奇e q u e n c yi s4 8 g h zw h e i lv d si s1 2 v 衄d v g si s 一1 vt h eo h i n i cc o m a c tr e s i s t i v i t yw 船c a l c 试a t e db yt l m a n d s c h o 嘶 b a r r i e rw a sm e 删r c db yc v1 1 1 e nw ep r o p o s e d 1 c 锄a l ls i 鄹a lm o d e la 1 1 d n o n 1 i n e a r1 a r g es i n 鲫a 1m o d c lb a s c do nt l l esp a r 锄e t e ra i l dd c p 耐b r m a n c e t os t u d y 血e 廿1 e1 l i 曲t e r n p c r a t u r ec h a r a c t c r i s t i c so fa l g a n g a nh e m t o u t p u ta n d 打a i l s 向p e 墒m a l l c ew 邪t e s t e db 咖e e n2 5 a n d2 5 0 1 1 1 et e n l p e r a n 玳c o e m d 龃t o fs a t l l l a t i o nd r a i nc u r r c n ta n dp e a l 【仃a n s c o n d u c 乇a i l c ea r ea l l n e g a t i v e a i l dm e p e r f b 加a i l c eo fd e v i c ed e g e r a t e dw i t h 也ea s c e l l d 缸gt 即1 p c r a t u r e a n dm ed c m o d e lt d k e si n t oa c c o u n tm ee 行b c to f t 锄l p c r a t u r ed 印e n d 饥c eo f m ed e v i c e 廿l r e s h o l d v 0 1 t a g ea 1 1 d 也em a x i m 啪s a 删o nd m i n - s o u r c e 伽【r r e l l t t h e s em o d e lv a l i d i t i c s i i i 北京工业大学工学硕士学位论文 w e r ev e f i f i e db yc o m p a n gt l l e i nw i t ha 【p 嘶m e n t a ld b s e r v a t i o n s t ba 1 1 a l y s em e 廿l e 肌a lc h 盯a c t e r i s t i c s ，w es i m u l a t e ds t a 廿cm e m a ld i s 倒b u t i o no f 1 ed e “c eu s i n g 觚t ee 1 锄e n tw a y1 1 1 1 d 盯0 mt e r n p e r a t u r ea i l d2 5 0 a tl a s t ，w ep r o p o s e dm ew a yt oi i n p m v em e 灿g a n g a nh e m th i 曲t e i n p e r 咖r e p e r f o r m a n c es u c h 嬲1 1 i g hc o n d u c t i v i t ys u b s 缸a t e l o wd e f 毫c t 印i t a x ym a t e f i 舔，m o s s 衄l c t l ea n df l i pd i l i pb a s e do l 】rs t l l d i e s k e yw o r d s ：a j g a n g a nh e m t ，h i 曲t c r n p e r a t l l r cc h a r a c t e r i s t i c s ，s m a l ls i 趴a l m o d e l ，l 孵es i 印a lm o d e l ，n e r i n a ld i s 廿i b u t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 躲旌锯吼型笾幺 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：粼雏。新签名： 碰叁日期：翌! 厶彰j 第1 章绪论 g 8 n ( 氮化镓) 属直接带隙半导体材料，具有禁带宽度宽( 常温下为3 3 9 e v ) ， 临界击穿电场高( 3 5 1 0 6 w c 【n ) ，电子饱和速率大( 2 l o7 ，s ) 及导热性能 ( 13 w ，l 【) 好等优良特性，物理性质、化学性质稳定，耐高温、抗腐蚀i 。 a l l g a l 。n 为g a n 的三元台金，带隙随a l 组分的改变在34 6 2 e v 之间变化。 a l g a n ，g 稍异质结的压电效应较强，导带偏移较大，得到的2 d e g ( m o d i m e r l s i o ng 口二维电子气) 浓度可达2 x 1 0 ”c r n ，其电子迁移率可达 1 5 0 0 2 0 0 0 锄2 ，v s l 羽。利用a 1 g a n g a n 制作的h e m t ( 王i 曲e l e c 仕d nm 0 b i l i t y t r a n s i s t o r 高电子迁移率晶体管) ，导通电阻及其寄生电容小，开关速度快，耐高 温，稳定性好h j 。 传统的s i 基器件，最高工作温度在3 0 0 以下，为了使s i 基器件能够在高 温下稳定的工作，需要大的散热系统来降低器件的工作温度，增加了设备的体积、 重量及安全隐患。以g a n 材料为代表的宽禁带半导体材料基器件可满足高温工 业的要求，其在高温范围内的本征载流子的数目低，导热性好，因此a l g a n ，g 州 h e m t 器件非常适合制作高温恶劣环境下工作的微波功率器件。它能够应用于汽 车工业中的气缸、排气系统和电气制动及刹车系统，涡轮发动机的传感、遥感自 动控制系统，航空航天业中电源自动控制、外星探测系统，石油、天然气、地热 探测及开采系统等3 0 0 以上的高温工业中 ”。制作适合高温下工作的 a i g a n ，g a nh e m t 有必要研究其在高温环境下的特性。 本课题设计了空气桥结构的a i g a 州g a n h e m t ，钡l 试了其在常温下的直流、 频率特性及高温下的直流特性，总结了其常温下的大信号与小信号模型，并给出 了考虑到温度影响的大信号模型，并使用有限元分析法分析了器件在高温下工作 时的温度场分布，最后提出了适合高温工作的趟g a n g a nh e m r 的改进方法。 1 1a i g a n g a nh e m t 器件高温性能的研究进展 a j g a n ，g a nh e m t 适合制作微波、功率、高温器件，其常温性能屡见报道， 撮早的g a nh e m t 在1 9 9 3 年被研制成功1 9 9 4 年栅长为o 2 5 u m g j nh e m t 最早的g a nh e m t 在1 9 9 3 年被研制成功【s 】，1 9 9 4 年栅长为o 2 5 u m g j nh e m t 北京工业大学工学硕士学位论文 的截止频率为“g h z ，最大振荡频率为3 5 g h z 【6 1 。到目前为止，直流特性方面， a l g a n g a nh e m t 跨导为5 2 5 m s m m l 7 1 。蓝宝石衬底的舢g a n g d nh e m r 击穿 电压为4 7 0 v 8 1 ，场板结构s i c 衬底的a l g a n g a _ nh e m t 的击穿电压为6 0 0 v 【引。 频率方面，蓝宝石衬底上制作的栅长为0 1 2 岫a 1 g a n g a nh e m r 截止频率为 1 2 l g h z ，最大振荡频率为1 6 2 g h z 1o 】；s i c 衬底上制作的甜g a n g a nh e m r ， 截止频率为1 0 3 g h z ，最大振荡频率为1 7 0 岱 z 【1 i 】。功率方面，蓝宝石衬底的 砧g a n ，g a nh e m t v d s = 5 0 v ，4 g h z 下功率密度为1 2 w 佃m ，功率附加效率( p a e ) 为5 8 f 1 2 】。s i c 衬底的h e m t ，v d s = 1 2 0 v ，4 g h z 下功率密度为3 2 2 w m m ， p a e 为5 4 8 f 13 1 。 但a l g a n ，g a nh e m t 高温特性性能不是太高，国内外对a l g a n 佑a nh e m t 的高温特性的报道如表1 1 所示 1 4 】 1 5 】 1 6 】f 1 7 ! 1 8 【19 】1 2 0 】f 2 1 】【2 2 1 。 表1 一la 1 g a n 佑a nh e m t 的高温特性的研究进展 1 - a b i el lr e s e a r c hp r o c e s so nh i 曲t e m p e r a t u r ep c r f o 】= l l l 粕c eo f a i g a n g a nh e m t 时间温度( )性能 饱和漏极电跨导截止频率最大振荡频率 流( m a ，m m )( m s m m )( g h z ) ( g h z ) 1 9 9 53 0 0 5 4 1 9 9 61 5 0 【1 习 7 4 3 0 0 4 0 1 9 9 73 0 0 1 蜘5 0 01 2 0 5 0 03 8 08 0 1 9 9 87 5 0 咖i1 5 0 2 0 0 l1 8 7 【1 8 】3 2 07 28 7 1 7 0 【1 9 】2 3 0 0 【2 0 】7 0 0 2 0 0 43 0 0 2 1 6 9 01 1 8 2 5 4 0 0 【2 2 】4 7 59 5 s n 们i n c k 于2 0 0 3 年报道了直流、频率、功率与噪声指数的温度系数：从 2 5 到2 6 7 温度范围内的饱与漏极电流，峰值跨导的为0 3 7 m a7 1 0 、 一o 2 5 m s 1 0 ：截止频率的为。o 2 4 g h 1 0 ：饱和输出功率的为o 1 4d b 1 0 ： 噪声指数的为+ 0 0 6 8 d b ，1 0 ，噪声电阻的的为+ 2 5 7 掰1 0 ，且相应增益的为 o 1 1 4 d b 1 0 2 3 1 。 1 2a l g a n g a n 髓m t 高温特- 陆研究的意义 随着汽车工业、能源开采业、卫星导弹发射及其航空航天工业的飞速发展， 对系统中所使用的电子器件提出了极高的要求。在这些高温工业中，电子器件的 高温特性已经成为工业的关键问题。当环境的温度十分高时，用于监测、控制发 热设备性能的器件高温特性必须得到改善。传统的电子器件大部分使用s i 基器 件，后来随着s o i 技术及其g a 心基器件的成熟，成为高温器件的主要材料。但 s i 及其s o i 器件最高工作的温度仅为3 0 0 ，g a a s 器件的工作温度也不超过 5 0 0 【3 】。为了器件能够在高温下稳定的工作，因此需要大量制冷设备来降低电 子器件工作的环境温度，这无疑增加了系统设备的体积及其重量。有的电子监控 设备为了防止高温，通过大量的引线和传感器来控制高温设备。由于增加了连线 及其传感器，其工作的稳定性也成为了系统的关键因素。由于连线及其连接器的 不稳定因素，给人类制造了不少的麻烦。1 9 9 6 年美国航空公司的8 0 0 航班及其 1 9 9 8 年瑞士航空公司1 1 l 航班的飞机事故均由连线的不稳定造成的。解决此问 题的业界内普遍接受的方法就是寻找高温下更为可靠的电子器件，减少由于制冷 设备带来的复杂的互连线的问题，而且还可以减少系统设备的体积及其重量，使 系统能够在恶劣的环境中稳定的工作【”。 宽禁带半导体的出现使器件在高温下稳定工作成为了可能。当今业界对宽禁 带半导体材料研究的集中在了g a n 、s i c 、金刚石等材料上。表1 2 列出了当今 及将来半导体材料在高温领域中的应用。我们可以发现当今在周围环境低于 3 0 0 时，一般采用s i 基器件和s o i 技术，但温度高于3 0 0 时，当今器件还是 项空白。由于宽禁带半导体的日益成熟，将在3 0 0 以上的高温领域内发挥其 作用。高温器件的经济效益也很可观，其销售额于2 0 0 3 年已达4 亿美元，2 0 0 8 年将达到9 亿美元，其分额将占全世界半导体器件的l o 【4 1 。 当今宽禁带半导体中研究最有前途的为g a n 、s i c 材料，都具有较宽的禁带 宽度，较高的击穿电场及其电子饱和速率及其良好的导热性，化学特性稳定，不 易被腐蚀等特点，但由于现在s i c 材料存在大量的微管缺陷，外延工艺比较复杂， 成本较高，因此g a n 是比较有前途的材料【”。但g a n 的热导率不如s i c 的高， g a n 材料作为高温器件也受到了极大的挑战。如果仅考虑禁带宽度的影响，g a n 基器件可以工作到9 0 0 k 2 5 1 。当然如果考虑到其它因素的影响，g a n 基器件可以 北京工业大学工学硕士学位论文 稳定工作会低于此温度，如何最大限度的提高g a n 基器件可以工作的温度，成 为了g a n 基作为高温器件的重要问题。因此研究g a n 基器件的高温特性，对于 制作高温器件，提高器件的高温性能将起到至关重要的作用。 表1 ，2 半导体高温器件在工业中的应用【4 】 t 曲l e l - 2s 锄i c o n d u c t o rt e c h n o l o 酉e s 矗s o m e 蚵e c t e dh i 曲僦n p e r a m t ea p p h c a t i o 璐 高温器件应用领域 环境温度功率当今采用材料未来采用的材料 汽车 发动机控制器件 1 5 0 1 0 k w硅 宽禁带半导体 涡轮发动机 传感、遥感控制系统 3 0 0 1 0 k w 无宽禁带半导体 航空航天业 电源控制系统 1 5 0 l k w硅或s o i宽禁带半导体 3 0 0 1 0 k w充宽禁带半导体 外星探测 5 5 0 l k w 无宽禁带半导体 普通工业 高温工艺 3 0 0 1 k ws o i s o i 6 0 0 1 k w 无宽禁带半导体 能源开采 石油天然气 3 0 0 l k ws o i s o i 及宽禁带 地热 6 0 0 误差限 0 l o 算黼下的卜 警 几( 误差限 u 图3 1 l 提取小信号等效电路内部参数的流程图 f i 母北3 - 1 1f l o wc h 硎o f e x 廿a c 廿o nf o 咖m 髓s u r e ds - p a 蹦c t e r 使用m a n a b 编写程序，最后计算出小信号模型中的器件参数如表3 1 所示 表3 1 小信号模型中器件参数 t 西b l e 3 - 1c o m p o n e n tp 删c t e re x 廿甚c t i o nf o m s p a r a m e t e r c g s ( p f )c g d ( p f )c d s 0 f )r 肇( o h m )r d s ( o h 1 ) 1 2 9 9 42 4 8 9 18 1 9 4 61 7 4 0 55 0 4 7 9 t 0 s )g m ( m s )l d ( p h )l g ( p h )l s ( p h ) 5 0 4 1 84 2 1 1 51 2 “6 3 0 3 82 1 6 9 7 3 1 北京工业大学工学硕士学位论文 使用模型计算出的s 参数使用史密斯圆图表示并与测试的结果进行比较，我 们发现基本吻合。图3 1 2 示出了s l l s l 2s 2 ls 2 2 参数的测试值与模型化的值的比 较。 第3 章a l g a n ，g a n 胍m t 特性的测试分析 图3 1 2s i l s l 2s 2 1s 2 2 测试值与模型化的值的比较 f i g t r3 1 2m e a s u r e dv e r s 峭m o d e l e ds l i s l 2s 2 ls 2 2p 啪m 岫 3 6a 1 g a n g a nh e m t 大信号模型 随着m g a n g a nh e m t 的研究的发展，其被认为是将来微波功率放大器的 首选，而建立大信号模型是研究功率放大器的基础。国内外对g a a sm e s f e t 及 h e m t 的大信号模型的研究基本成熟，而国内对g a nm e s f e t 及h e m t 器件的 大信号模型则未见报道，在国外，对a 1 g a n g a nh e m t 的大信号模型屡见报道 【5 3 】 5 4 】【5 5 】，由于工艺及材料的原因，但也只是处于摸索阶段，可适应性并不是太 强。本文将综合国外g a a sh e m t 及g a nh e m t 的大信号模型，提出适用于本 器件的m g a n g a n 的大信号非线性模型。通用的h e m r 大信号模型如图3 。1 3 。，。舞。，2 暨垩些銮耋雪篓鎏耋誊耋乙，。，。一 所示。 图3 1 3h e m r r 大信号等效模型 f i g u r c3 - 1 3l 丑r g es i 辨a 1e q u i v a l e n tc h u i to f h e m r 对于器件的模型来说主要有三种：数值模型，半经验模型和分析模型。 ( 1 ) 数值模型这种模型从求解器件的二维或三维电磁场方程出发，用数值 计算出器件的非线性特性。虽然该方法准确，但由于过分耗机时，不宜用于c a d 的工具。 ( 半经验模型这种模型利用等效电路种元件的非线性用经验公式来表 征，经验公式中的参数和电路的线性元件参数都通过实测来确定，它比较准确， 而且简单，已经广泛的应用在p s p i c e ，h s p i c e ，a 酣e md e s i 缪s y s t 唧等c a d 软 件中。 ( 3 ) 分析模型这种模型的特点在于电路种线性和非线性元件的参数是利用 解析公式，由器件的物理结构及工艺参数计算出的。 半经验模型，它用来等效电路来模拟器件，等效电路种元件的非线性用经验 公式来表征，经验公式种的参数和电路的线性元件参数都通过实测来确定，它比 较准确，而且简单，在c a d 技术种应用广泛。目前常用的模型有：s t a t z 模型， c u n i c e 平方模型、c u n i c e 立方模型，m a t e r k a 模型，a n g e l o v 模型等。 对非线性电流源i 出牮，v 出) 的准确描述是大信号模型最重要的部分，由于大 第3 章a 1 0 州g a nh e m t 特性的测试分析 信号的工作区域涉及到线性区和非线性，躅此模型应该反映全域特性。对i d s c v 擎， v d s ) 的变化趋势都采用了双曲正切函数t a | m ( x ) 的描述手段，尤其是漏源电压v 0 对i - v 特性的影响，以双曲正切函数的非线性关系来处理是非常简明的。 s t a t z 模型 5 6 】由式( 3 - 4 9 ) 表示： 如：善攀募；弩妥( 1 + a ) t a 血( 口吃) ( 3 - 4 9 ) ，= = _ 一i j 十l r 。i 卸d i 口r i i ) 叫y ， 出 1 + h ( 吃一巧o ) r 。由7 一r 。出 、。7 其中：s o 为跨导系数，伍为饱和电压系数，九为沟道长度调制系数，v m 为闽 值电压，h 为掺杂拖尾延伸系数。 c u n i c e 模型 5 7 1 由式( 3 5 0 ) ，( 3 - 5 1 ) 表示： = ( 4 曙+ 4 k 2 + 4 k + 4 ) t a n h ) ( 3 5 0 ) k = 珞 1 + ( o 一吃) 】 ( 3 5 1 ) 其中，a 3 舢为拟合系数，a 饱和电压系数，p 夹断电压变化系数。 m a t e f k a 模型由式( 3 5 2 ) 表示【5 s 】： k 2 k ( 1 一瓦i 赢) 2 ( 1 “) t a n h ( 口) ( 3 。5 2 ) 其中，i d s ；为v g s = o 时的饱和电流，c 【为饱和电压系数，x 为沟道长度调制系数， y 阈值电压随v d s 的偏移系数，、阈值电压 a n g d o v 模型由式( 3 5 3 ) ，( 3 ，5 4 ) 表示【5 9 】： 气= j 【1 + t a n h ( 、壬，) ( 1 + 五) t a n l 口吃)( 3 - 5 3 ) 甲= 日( 一) + 县( 一珞) 2 + b ( 一珞) 3 ( 3 5 4 ) 其中，i p k 为最大跨导时的漏电流，v p k 为最大跨导时的栅偏压，a 为饱和电压系 数，九为沟道长度调制系数，p n 为拟合参数。 纵观这几种模型结构，其非线性漏源电流i d s 由三个基本项相乘而组成，其 中饱和电压系数研沟道长度调制系数九这这两项起到了很重要的作用，它们决 定了器件的直流特性在线性区和饱和区的基本形状。但物理概念并不清晰，受器 件结构和材料性质的影响也无法表现出来，此为半经验模型最大的缺点。 2 0 0 1 年a g o s t i n og i o 嚼o 6 0 1 在加培e l o v 模型的基础上提出了适合g a 缸 m e s f e t 的更为精确的直流模型，尤其在从线性区向饱和区过渡的拐点区可以取 北京工业大学工学硕： = 学位论文 得很好的精度。本文将采用其方法应用在a l g a n g a nh e m t 的漏源电流非线性 模型的提取上。其i d s 非线性模型由式( 3 - 5 5 ) 决定。 丘( 屹，) = 瓦 ( 1 一軎) ”一如+ 且珞) e 1 陋2 】 t a i l l l 屹) 】” ( 3 - 5 5 ) 其中i d s 。为v g s = o 时的饱和电流，v t 为阈值电压，y 为闽值电压的偏移量。 = 0 + l + 2 2 + 3 3 ( 3 - 5 6 ) 口= 嘞+ q + 乜2 吃2 + 口3 3 ( 3 5 7 ) n 和a 主要是为了改善线性区、拐点电压、及饱和区的拟合度。m 参数主要 是为了改进拐点区修改双曲正切函数。k 、九及c 参数用来修改沟道宽度调制效 应。他们从测试结果中计算出来没必要进行提取。v t 为阈值电压，可以由测试 数据得出。根据经验值可以为y = o 0 3 、广1 ，可以根据实际情况进行调节。n o 因子 初始值假设为2 。实际上跨导公式为可以由式( 3 - 5 8 ) 表示 ( 屹，名) 2k ( 1 一号) 2 ( 3 - 5 8 ) 在第一次近似下，n 不依靠偏置条件，n i ( i = l ，2 ，3 ) 为o 。对于相当精 确的n l 可以通过解方程式( 3 5 9 ) 来得到 ( ，) = 气 ( 1 一等) ”】 ( 3 - 5 9 ) t ， 由于将计算出的n 值带入模型中基本与初始值带入模型得出的值基本差不多， 因此取n 值为【2 ，o ，o ，0 】。 计算k 和九不需要提取的过程。实际上，k 及九可以通过当v g s = 0 时饱和 区的直流特性插值i 协；。= p 14 吃+ p ：得到 后= 卜见k ( 3 - 6 0 ) 五= 一p l ，( ，出f p 2 ) ( 3 - 6 i ) 参数c 可以移去修正因子一七( 1 + a 吃) e 一。睁2 ，当e x p ( c + v 野2 ) 趋向于o ，c 4 v 萨皂5 ， 因此晓5 厂v f 。 为了提取参数，我们初始m = 1 ，实际上m 参数仅为一个拟合值，没有任何 物理意义，它修改双曲正切值，特别是拐点处的曲线来与实际值达到更好的拟合。 当口+ v d 窀6 。双曲正切趋于恒定。当v d 窀v d s a t ，双曲正切函数趋于恒定。也就 是说a + v d 窀6 。我们可以通过6 。扩a 0 + a l + v g s + a 2 。、0 + a 3 8 v g s 3 三次插值确定 的值。采用上述方法计算得到的参数模型下表3 2 ： 表3 - 2 i d s 表达式中的参数值 t 曲l e3 - 2p a r a m e t c ri l li d se x p r c s s i o n 参数 l d s s ( a ) k九 伍 a 0a la 2a 3 】t 1 ) 值 0 0 1 2o 0 6 2 6 9 8o 0 9 7 9 0 + 6 5 一o 0 6 9o 0 3 o 0 4 5 3 一o 0 8 1 参数mc v t o ( v ) n 值 153 5 【2o0o 】 采用表中的参数，使用m a n a b 编程得出模型数据并与测试数据进行比较， v g s 从l v 变化到3 v ，步长为1 v ，我们发现在大部分栅源偏置下的模型曲线与 测试曲线基本吻合，如图3 。1 4 所示。 v d 。( v ) 图3 一1 4a l g 捌，g a n h e m t 直流测试特性曲线与模型化的特性曲线的对比 f i g n r e3 1 4m e a 呲dv e r s u sm o d e l e dd c c h r a c t e r i s 石c s 北京工业大学工学硕士学位论文 3 7 本章小结 首先采用t l m 方法得出了欧姆接触的电阻率为2 1 3 1 0 4 qc m 2 ，测试了 p 幽。u 与a 1 g i n g a n 异质结的c v 特性，并使用改进的计算应变异质结上的肖 特基势垒高度的方法计算了栅极的肖特基势垒为1 1 8 e v 。测试了制各的 a 1 g a n g a nh e m t 性能参数：拐点电压v h l 矿4 6 、阈值电压、，t = 一3 5 v ，跨导 g 在v o s - 2 0 5 v 取得最大值为9 0 2 m s 珈匝，v g s = 4 v 时的最大饱和漏极电流i d s = o 4 5 7 3 a m m ；v d s = 1 2 v ，v g s 一1 v 时获得的截止频率为4 8 g h z 。采用直接提 取小信号参数的方法提取了触g a n g a nh e m t 的小信号等效电路中的元件参 数，并发现模型值与测试值基本吻合。使用a n g e l o v 模型提取了漏源电流的非线 性模型，并与测试曲线进行了比较，其模型基本适用于砧g a n g a nh e m t 。 第4 章a l g a n g a nh e m t 的高温性能研究 4 1 高温实验平台的搭建 实验平台示意图如图4 1 所示，e u r o t h e r m8 0 8 控温台来监测器件周围环 境的温度，使用a g i l e n t4 1 5 5 c 半导体参数测试仪测试器件的直流特性，在保护 罩内通入氮气对器件进行保护。 由于热偶处在了台面内部，而所测量的芯片放置在了平台的表面，因此控温 台显示的温度与实际芯片周围的温度有一定的偏差，因此使用p t l o o 热敏电阻 对温度进行了校准。为了降低平台表面的热量与周围的空气形成对流，在平台的 周围制作了一个保护罩，而且还屏蔽了外间静电的干扰。为了防止高温下器件的 金属接触不被氧化，在实验进行中通入了高纯氮气对器件进行保护。 图4 1 实验平台示意图 f i g m 4 1s k e t d h m 叩o f t e s tp l 瓶m 4 2a 1 g a n g a n 丑! m t 的高温性能测试 本实验测量了室温及5 0 一2 5 0 下每隔5 0 个温度点测量一次器件的输入 输出特性，转移特性等。为了使测试温度的准确性，在达到每个温度点时，保持 1 0 分钟，在器件表面扎上探针后，稳定5 1 0 分钟再进行测量。测试过程中持续 北京工业大学工学硕士学位论文 通入氮气进行保护。 测试了栅长为1 岫，栅宽为1 0 0 p m 的a l g a n ，g a nh e m t ，漏源电压v d s 从o v 扫描到1 2 v ，栅源电压v o s 从1 v 变化到3 5 v ，步长为一o 5 v 。l o o 下及 2 5 0 下的输入输出特性曲线分别如图4 2 、图4 3 所示。 e e 乏 、 v d s ( v ) 图4 2a 1 g a n ，g a n 如! r r 在1 0 0 下的输入输出曲线 f i g u r c4 _ 2o i i l p u td c i vc l l e so f a l g a n ，g 削胍mu n d e r l 0 0 v d s ( v ) 图4 3a l g a n g a nh e m t 在2 5 0 下的输入输出曲线 f j g u r e4 - 3o u t p md c i - vc u e so f a l g a n ，g a n 脏m tu n d e r2 5 0 测试a l g a n g a nh e m t 的转移特性的温度特性，v g s 从_ 4 v 到4 v ，温度从 一e、一兽一 第4 章a l g a n 他n 胍m t 的高温性能研究 室温测试到2 5 0 ，转移特性随温度的变化的关系如图4 - 4 所示。并由图4 4 得 出当v g s = 4 v 时，饱和漏极电流i d s ts a t 与温度t 的关系，如图4 5 所示，对其拟 合发现基本与温度成线性关系，其具有负温度系数关系为0 6 1 9 m a m m 。 e e i 、 _ 9 图4 _ 4a l g a n ，g a n 髓m r 的转移特性与温度的关系 f i g u r e4 - 4t e m p e r a t u r ed 印锄d c n c e1 协s 缸c h 啪c t e r i s t i c so f a l g a n ，g a nh e m t 温度( ) 图4 5 a l g 水g a n h e m r 在v g s = 4 v ，饱和漏极电流k 与温度的关系 f i g u 4 5s a t u n t i o nd m i nc u n c n t 觞a 鼬c t i o no f l h n p e m t u r ea tv g s ；4 v 4 1 一ee，v1o一 北京工业大学工学硕士学位论文 单位栅宽的跨导与栅压v g s 随温度的关系如图4 _ 6 所示，提取最大跨导g 。 与温度的关系如图4 7 所示。得出单位栅宽的峰值跨导妇也具有负温度系数， 为一o 1 3 5 m s ，m m - 。 v ( v ) 图4 - 6 跨导g m 随栅压v g s 的变化与温度的关系 f i g u 嘴4 6t r a n s c o n d u c t a r l c ea sa 血n c t i o no f 髓t ev 0 1 协g ew i mt 唧啪n l r e e 乓 邑 蒿 e o 温度( ) 图4 7 峰值跨导与温度的关系 f i g u n4 7p e 8 l 【v a l u e 咖l s c o d u c t a n c ea sa 缸1 c 石o n0 f t e m p e r a t u r e 4 2 - 一ee、ee西 第4 章a 1 g a n ，g a nh e m t 的高温性能研究 升温到2 5 0 后，在氮气的保护下，使其自然冷却到室温值，测试其直流特 性，发现基本没有什么变化，其可逆性良好，图4 - 8 为加热前与加热后冷却到室 温值的转移特性的比较，退化微弱。 v g s ( v ) 图4 8a l g d ，g a nh e m t 的转移特性的可逆性 f i g 哪4 - 8t r 蛆s 储c h 啪c t e r i s d c s v 哪m i l 时o f g 烈，g 州h e m r 本课题组测试的双异质结构的a l g a n ，g a nh e h 仃漏极电流及其跨导的温度 系数分别为。1 4 m a ，m m 、o 2 4 m s ，i 嘲。而国外报道最好的g a n g a n h e m t 漏极电流及跨导的温度系数分别为0 3 7 m a m 1 玎、o 0 2 5 m s m m 。本 课题组设计的单异质结及其双异质结器件的温度系数都比国外的要差，主要原因 可能是：1 、衬底为蓝宝石衬底，2 、外延材料的缺陷多。 4 3a 1 g a n g a n 胍m t 高温特性分析 a l g a n g a n 异质结界面处的2 d e g 是量子化的产物，又由于g a n 基材料具 有很强的铁电性及压电性，因此在a l g a n g a n 界面处产生了高浓度的2 d e g 。 其散射机构有电离杂质散射、极化光学散射、声学散射与压电散射6 ”。对于不 同的散射机构，迁移率与温度的关系如下。 电离杂质散射： 言童口一 北京工业大学工学硕士学位论文 卢f r m ( 4 1 ) 极化光学散射： 轳州黟_ 1 ”等) ( 4 - 2 ) 声学散射： 卢。畦r 3 7 2 ( 4 啊3 ) 压电散射： 廊。c r “2 ( 4 4 ) 其中，k b 为玻尔兹曼