（电路与系统专业论文）algangan+hemt的模拟及研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 本文完成了具有a i n 插层的a i g a n g a nh e m t 器件的结构级及器件物理特性 级可制造性设计。该器件a 1 n 插层厚度为5 a ；a 1 g a n 势垒层厚度为2 2 5 n m ；栅 长为6 0 m n 。在器件相关结构参数及实验结果的支撑下，笔者提出了该款器件的可 制造性设计方案。本设计得到了该器件的直流特性和c - v 特性曲线，预测了器件 的高频特性，并深入地分析了各重要参数对器件特性的影响。作者基于模拟结果 建设性地修改了设计中使用的模型参数，讨论了多个参数对器件特性的影响，从 而优化出最佳可制造性设计方案。 本文首先概括了a i g a n g a nh e m t 器件的国内外研究现状，提出了本课题的 研究意义及应用价值。其次，介绍了a 1 g a n g a nh e m t 工作原理，主要包括 a i g a n g a n 的材料特性、异质结特性及其极化效应；再次，根据器件结构指标， 提出了本课题的结构模拟方案，探讨了网格设计规则，并对2 d e g 区域及热电子 区域的网格进行了细化；详细地论述了本课题所选择的物理模型，包括s r h 复合 模型、流体动力学模型、高场迁移率模型、能带结构模型等，并对部分模型参数 进行了修正；本文着重讨论了极化效应模型的建立，给出了具体计算公式。最后， 基于所用模型提出了器件的物理特性模拟方案，并据此方案得到了器件的高频特 性，预测了器件的最大跨导、最高截止频率以及最高振荡频率，并深入探讨了各 参数( 包括舢组分、a i n 插层厚度、a i g a n 势垒层厚度、应变弛豫度、器件栅长 等) 对器件特性的影响。 本课题采用将模拟结果与实验测量数据相拟合的方法对仿真模型进行筛选、 修正，得到该器件的模拟方案。该方案使用s e n t a u r u ss t r u c t u r ee d i t o r 完成器件结 构的设计，用s e n t a u r u sd e v i c e 实现器件的物理特性仿真，最终在s e n t a u r u sw o r k b e n c h 集成化平台上完成各参数对器件特性影响的试验分析。 本文的核心工作是建立了含a i n 插层的a i g a n g a nh e m t 器件的极化效应模 型。论文通过定义由极化效应产生的极化电荷来模拟极化效应带来的影响，分别 定义了a i g a n a i n 界面电荷、a i n g a n 界面电荷以及a i g a n 的表面电荷，并调整 灿g 削a l n 界面的应变弛豫度，使模拟结果与实验值拟合。 本文的主要贡献有：实现含有a 1 n 插层的a i g a n g a nh e m t 器件的结构级及 山东大学硕士学位论文 器件物理特性级可制造性设计，国内尚未见报道。建立了极化模型，本文从极化 电荷的方面描述了极化效应带来的影响。 笔者所提出的a i g a n g a nh e m t 的可制造性设计方案及实现，解决了常规结 构级及器件物理特性级设计所面临的诸多技术难题，如网格设置、模型的优化、 收敛问题等。本文所得到的研究成果为进行a i g a n g a nh e m t 器件的深入研究与 探讨提供了有力的参考依据，具有一定的实际应用价值。 关键词：a i g a n g a n ；高电子迁移率；异质结；极化效应 2 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rc o m p l e t e dt h ed f m ( d e s i g n f o r - m a n u f a c t u r a b i l i t y ) o fa l g 荆g a n h e m t ( h i g he l e c t r o nm o b i l i t yt r a n s i s t o r ) 谢ma i na d dl a y e rf o r ms 仃u c t u r el e v e la n d p h y s i c sp r o p e r t i e sl e v e l t h i sd e v i c eh a s5 a a 1 na d dl a y e r , 2 2 5 n ma 1 g a nb a r r i e rl a y e r a n dt h eg a t e l e n g t h o ft h ed e v i c ei s 6 0 u m a c c o r d i n gt ot h e s 血1 l c t u r es i z ea n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ea u t h o rp u tf o r w a r dt h i sd e v i c e sd e s i g ns c h e m e t h i sd e s i g n g o tt h ed cc h a r a c t e r i s t i ca n dc - vc h a r a c t e r i s t i cc u r v e ，f o r e c a s t e dt h eh i g hf r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c s ，a n da n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo ft h em a i np a r a m e t e r sd r i v e no nt h ed e v i c e c h a r a c t e r i s t i c s d e e p l y b a s e d o nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，w em o d i f i e dt h em o d e l p a r a m e t e r sc o n s t r u c t i v e l y ，d i s c u s s e dh o wd o e ss e v e r a lp a r a m e t e r si m p a c t so nt h e d e v i c e s c h a r a c t e r i s t i c s ，t h u sg o t t h eo p t i m u md e s i g ns c h e m e sf o rd e mb y o p t i m i z a t i o n t m sp a p e rf i r s tg e n e r a l i z e dt h er e s e a r c ha c t u a l i t yo fa i g a n g a nh e m ti n s i d ea n d o u t s i d eo ft h ec o u n t r y ，p u tf o r w a r dt h es t u d ys i g n i f i c a n c ea n da p p l i e dv a l u e s ；s e c o n d l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fa i g a n g a nh e m ts i m p l y ，i n c l u d i n g t h ea i g a n g a nm a t e r i a lp r o p e r t i e s ，h e t e r o j u n c t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ep o l a r i z a t i o n e f f e c t t h e np r o p o s e das t r u c t u r es i m u l a t i o np r o g r a mb a s e do nt h ed e v i c e 灿c t i 玳 i n d e x ，e x p l o r e dt h er u l e so fm e s hd e s i g n ，a n dm a d et h em e s hs u f f i c i e n t l yt i g h ta r o u n d 2 d e g ( t w od i m e n s i o n a le l e c t r o no a s ) r e g i o n sa n dt h eh o te l e c t r o n sr e g i o n s t h i s p a p e rd w e l to nt h ep h y s i c a lm o d e l sw h i c hw e r ec h o s e ni nt h i st o p i c ，a n da d j u s t e dp a r t p a r a m e t e r so ft h e s em o d e l s ，s u c ha ss r h ( s h o c k l e y - r e a d - h a l l ) r e c o m b i n a t i o nm o d e l ， h y d r o d y n a m i cm o d e l ，h i g h - f i e l dm o b i l i t ym o d e l ，b a n dg a pm o d e la n ds oo n t h i s s u b j e c td i s c u s s e dt h ee s t a b l i s h m e n to fp o l a r i z a t i o ne f f e c tm o d e li m p o r t a n t l y ，a n dg i v e n t h es p e c i f i cc a l c u l a t i o nf o r m u l a f i n a l l y ，w ep u tf o r w a r dt h ep h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c s s i m u l a t i o np r o g r a mb a s e do na l lt h em o d e l sw h i c hw a sm e n t i o n e dp r e v i o u s f i n a l l yw e g o tt h eh i g hf r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c ，p r e d i c t e dt h em a x i m u mt r a n s c o n d u c t a n c e ，h i g h e s t c u t - o f ff r e q u e n c ya n dt h em a x i m u mo s c i l l a t i o nf r e q u e n c y ，a n df u r t h e rd i s c u s s e dt h e e f f e c to nt h ed e v i c ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h ep a r a m e t e r s i n c l u d i n ga ic o m p o n e n t s ，a i n i n s e r t e dl a y e rt h i c k n e s s ，a i g a nb a r r i e rl a y e rt h i c k n e s s ，s t r a i nr e l a x a t i o nd e g r e e ，a n dt h e g a t el e n g t h t h i ss u b j e c tg o tt h es i m u l a t i o ns c h e m e sb ys c r e e n i n ga n df i x i n gt h es i m u l a t i o n 3 山东大学硕士学位论文 m o d e l st om a k et h es i m u l a t i o nr e s u l t ss i m i l a rt ot h ee x p e r i m e n td a t a t h i ss c h e m eu s e d s e n t a u r u ss t m 舭e d i t o r ( s d e ) c o m p l e t e dt h es 劬c t u r ed e s i g n ，u s e ds e n t a u r u s d e v i c er e a l i z e dt h ep h y s i c a lp r o p e r t i e ss i m u l a t i o na n df i n i s h e dt h eo p t i m i z a t i o nu n d e r t h es e n t a u r u sw - 0 r kb e n c h ( s w 8 ) i n t e g r a t i o np l a t f o r me v e n t u a l l y t h ec o r ew o r ko ft h i sj o bi se s t a b l i s h e dt h ep o l a r i z a t i o ne f f e c tm o d e lo f a i g a n g a nh e m tw i t l la i ni n t e r c a l a t e dl a y e r t l i sp a p e rs i m u l a t et h ei m p a c to f p o l a r i z a t i o ne f f e c tb yd e f i n i n gt h ep o l a r i z i n gc h a r g es e p a r a t e l y ，f i n a l l yd e f m e dt h e i n t e r f a c ec h a r g eo fa 屺2 忒 心na n da i n g 心辽i n t e r f a c ea n dt h es u r f a c ec h a r g eo f a i g a ns u r f a c e n em a i nc o n t r i b u t i o no ft h i ss u b j e c ti sr e a l i z e dt h ed f mo fa i g a n g a nh e m t w i t l la 1 ni n s e r t e dl a y e rf o r ms t r l j c 觚l e v e la n dp h y s i t sp r o p e r t i e sl e v e l ，t h i sw o r kh a s n o tb e e nr e p o r t e di n l a n d e s t a b l i s h e dt h ep o l a r i z a t i o nm o d e l ，t h i sp a p e rd e s c r i b e dt h e i m p a c to fp o l a r i z a t i o ne f f e c tf r o mt h ea s p e c t so fp o l a r i z i n gc h a r g e t h i sp a p e r 。sd f m d e s i g ns c h e m ea n di m p l e m e n t a t i o no fa 1 g t 心 g 2 心h e m t s o l v e dm a n yt e c h n o l o g yp r o b l e m s ，s u c ha st h e 班ds e t t i n g s ，t h em o d e l so p t i m i z a t i o n s ， c o n v e r g e n c ep r o b l e m ，e t c a l lt h e s er e s e a r c hr e s u l t si nt h i sp a p e rp r o v i d e ss t r o n g r e f e r e n c ef o rt h ef u r t h e rs t u d yo fa 1 g a n g a nh e m t ，h a sc e r t a i np r a c t i c a lv a l u e s k e yw o r d s ：a i g a n g a n ；h i 曲e l e c t r o n i cm o b i l i t y ；h e t e r o j u n c t i o n ；p o l a r i z a t i o ne f f e c t 4 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 随着世界半导体行业巨头纷纷到国内投资，整个半导体行业快速发展，半导 体材料是半导体工业的基础，这就要求材料业也要跟上半导体行业发展的步伐， 半导体材料迎来其前所未有的发展机遇。半导体材料是信息技术和产品发展的“粮 食”，它的发展对半导体技术的发展有极大的影响，对信息产业的发展速度起着举 足轻重的作用。半导体产业的发展共经历了三代半导体材料，第一代半导体材料 以s i 、g e 等元素半导体为主；第二代半导体材料以g a a s 、i n p 等化合物半导体 材料为主，具有更高的载流子漂移速度；第三代半导体材料以g a n 、s i c 、z n s e 等宽禁带半导体为主，在微波功率领域表现出极大的潜力。 表1 1 几种重要半导体材料的性能参数n 1 g a a sg a n s i4 h s i c ( a i g a a s l n g a a s )( a i g a n g a n ) 禁带宽度e g e v 1 1 l1 4 33 23 4 相对介电常数 1 1 41 3 19 7 9 8 击穿电场e b ，( v c m ) 6 x 1 0 56 5 1 0 53 5 x 1 0 63 5 x 1 0 6 电子饱和速度以( c m s ) l 1 0 7 1 1 0 7 2 x 1 0 71 5 x 1 0 7 ( 2 1 x 1 0 7 )( 2 7 x 1 0 7 ) 电子迁移率p ( c m 2 s ) 1 5 0 0 8 5 0 0 ( 1 0 0 0 0 ) 7 0 0 9 0 0 ( 2 0 0 0 ) 热导率d ( w c m k ) 1 5o 54 91 3 工作温度 c 1 7 51 7 56 5 06 0 0 抗辐射能力r a d 1 0 1 0 61 0 9 1 01 0 1 0 m f a151 3 62 4 8 b f o m bl91 3 53 9 a j o h n s o n 品质因数j m f 【j m f 2 e ；【4 万2 j 】 bb a l i g a 品质冈数b f o m ( b f o m = e z 。e ；) 表1 1 对比了三代半导体材料中代表性材料的各种性能参数。可以看出，g a n 作为第三代宽禁带半导体材料，与第一、二代材料相比表现出了很多优良特性。 首先g a n 禁带宽度较大，能够承受较高电场，具有较大的击穿电压，使其在大功 率领域具有优势。其次，g a n 具有较高的电子饱和速度，这对于高频操作十分有 5 山东大学硕士学位论文 利。g a n 的高电子饱和速度同时很好的弥补了g a n 电子迁移率比某些器件低的不 足。另外还需注意的是，虽然g a n 的电子迁移率较低，但是g a n 在a i g a n g a n h e m t 中却表现出很高的电子迁移率i 舶。第三，g a n 具有较高的工作温度，使得 g a n 基器件可以减少甚至取消散热系统，降低系统成本。第四，j o h n s o n 品质因数 j m f 和b a l i g a 品质因数b f o m 是表征半导体材料高频大功率应用潜力的指标( 表 1 1 中对s i 进行归一化) ，该值越大，越有利于应用在微波领域f 3 1 ，因此g a n 非常 适合高频大功率领域的应用，如无线通信的基站、雷达、汽车电子等。另外，g a n 的化学性稳定性及热稳定性很高，只在热的碱溶液( 如n a o h ) 中才可以很慢的速 度溶解，g a n 又具有很高的硬度和熔点( 2 0 0 0 k 以上) 1 4 l ，加之它的带隙宽，非常 适于制作耐高温和抗辐射的电子和光电子器件，在航空航天、核工业、军用电子 等恶劣环境中表现出良好的优越性。 由于对工作在高功率、高温和恶劣环境下电子器件的迫切需要以及在蓝光和 紫外光波段发光、激光器件的需要，近2 0 年来掀起了对宽带隙材料( 5 j f 6 】及异质结的 研究热潮。从上述对比可以看出以前两代半导体材料为基础的电子器件不能承受 更高的工作温度和化学、辐射方面的恶劣环境。而g a n 材料具有良好特性，从而 成为工作在大功率、高温和恶劣环境下电子器件的首选材料。就光电子器件而言， 高密度光存储和全色显示技术、固体的白光照明技术推动着宽带隙半导体短波长 发光器件的发展。s i c 为间接带隙材料，发光效率较低，而基于g a n 的异质结l e d 和l d 已经完全商品化，器件性能得到迅速提高。g a n 所表现出的优良性质，使 其成为科学家们关注的焦点，其广阔的应用前景，更使其在半导体行业的地位逐 日升高。 a 1 g a n g a n 高电子迁移率晶体管( 髓m t ) ，是以a 1 g a n g a n 异质结为基础 的g a n 基器件，与传统的m o s f e t 相比在高频、高温、大功率、抗辐射等领域占 有极大优势，从而成为飞速发展的研究前沿。为了使该器件能够尽早的投入生产， 国内外对其进行了大量研究，但由于目前g a n 技术不成熟，模型不完善， a i g a n g a nh e m t 中存在的很多机理尚不明确，有待进一步的探索研究。本文将 进行a 1 g a n g a nh e m t 器件的建模与仿真研究，以期能得到各器件参数与器件性 能之间的制约关系，为该器件的进一步发展提供有力的理论依据。 6 山东大学硕士学位论文 1 2a i g a n g a nh e m t 研究现状 目前，g a n 基h e m t 的结构主要是基于a 1 g a n g a n 异质结的h e m t 器件。 由于极化效应，a i g a n g a n 异质结中很容易出现2 d e g ( - - 维电子气) ，即使不 掺杂，2 d e g 密度也能达到10 1 3 c m - 2 ，因此绝大部分h e m t 器件是耗尽型的。 g a n 的早期研究集中在生长高质量的材料问题上1 4 1 ，诸如：没有好的衬底材料， n 型材料的本征载流子浓度较高；p 型g a n 的掺杂十分困难，没有合适的腐蚀夜等 等。过去的2 0 年内，在上诉各方面的研究都取得很大成就。在蓝宝石衬底上优化 生长缓冲层或者用s i c 衬底都可以大大改善外延生长材料的质量，目前常用办法 为在蓝宝石衬底上首先淀积a i n 缓冲层，缓解晶格匹配，然后再淀积g a n 层，以 改善薄膜质量。高质量的g a n 外延薄层中，本征载流子的浓度只有4 x 1 0 1 6 c m 。3 ； 反应离子刻蚀是方便、可靠的刻蚀方法。这些材料质量和工艺方面的进步，已经 使族氮化物半导体异质结l e d 和l d 商品化。 近几年来，由于a 1 g a n g a nh e m t 在高频、大功率应用领域表现出的高性能， 刺激着研究者为揭示并提高其器件特性展开了大量的实验及理论研究工作。 a i g a n g a nh e m t 的发展，在国外某些大学的研究中已经投入了商品化。 p a l a c i o s 等人2 0 0 5 年在加利福尼亚大学首先报道了以s i 3 n 4 做钝化层的 a 1 g a n g a nh e m t ，该器件在4 0 g h z 时功率密度为1 0 5 w m m ，功率附加效率 ( p a e ) 为3 4 ，其截止频率弁为7 0 g h z ，最大振荡频率f m 瓤为1 0 0 g h z l 7 1 。p a l a c i o s ， 在2 0 0 6 年又接着报道了以凹栅结构代替钝化层，并用氟离子做表面处理的结构1 8 】， 从而将击穿电压提高到了2 0 0 v ，同时减少了栅极漏电流。p a l a c i o s 还发现，采用 m o c v d 生长方式得到的器件比m b e 生长方式得到的器件特性要好一些，在4 g h z 时功率密度就已经可以达到17 8 w m m ，p a e 更是高达5 0 。对a i g a n g a nh e m t 研究工作在康奈尔大学也有展开【9 】。 对a 1 g a n g a nh e m t 的研究工作还致力于将器件的工作频率提高到5 0 g h z 以上。2 0 0 2 年，k u m a r 等人报道了以s i c 为衬底制造的栅长为0 1 2 u m 的a 1 g a n g a n h e m t ，其f t 为1 2 1 g h z ，f m 积为1 6 2 g h z ，电流密度超过l a m m ，跨导超过 3 0 0 m s r a m t l 0 1 。2 0 0 6 年h i g a s h i w a k i 等人【1 1 】报道的a i g a n g a nh e m t 器件在a i g a n 层和g a n 层插入了a 1 n 间隔层，其截止频率弁能达到1 6 3 g h z ，最高振荡频率f m 瓢 7 山东大学硕士学位论文 为1 9 2 g h z 。p a l a c i o s 等人1 1 2 j 尝试在g a n 沟道和g a n 缓冲层之间添加一层i n g a n 薄层，以此增加g a n 沟道和g a n 缓冲层的势垒高度，将电子更好的限制在沟道中， 该做法将f m 状提高到了2 3 0 g h z ，但是对弁的影响不明显。在p a l a c i o s 等人的另一 篇报道中【1 3 】提到，当增加i n g a n 层的厚度时，f m 缸约能提高2 0 。 在商品化方向上的努力，已经将舢g a n g a nh e m t 器件投入了市场。n i t r o n e x 公司在0 5 、0 6 年先后为w i m a x 市场发布了三种r f 功率晶体管，其频带范围为 3 3 3 8 g h z 以及2 3 2 7 g h z l l 4 , 1 s , 1 6 1 。c r e e 等也为w i m a x 的应用发布了两种g a n h e m t l l 7 , 1 s l 。除此领域外，在过去的几年里，r f 微波器件公司也发布了g a nh e m t 的产品【1 9 1 。 在对a 1 g a n g a nh e m t s 器件的实验探索不断取得可喜成果的同时，对 a 1 g a n g a nh e m t s 的模拟也在进行着。目前比较有成果的模拟方法，大都是采用 自洽求解薛定谔方程和泊松方程的方法，s a c c o n n i 等人用此方法求解二维量子模型 1 2 0 ，结果表明没有考虑极化效应模型时，异质结界面处的量子阱模拟结果不太理 想，只有当加入极化效应模型时，界面处的能带弯曲才会发生，且量子阱的形状 也比较吻合实际情况。b r a g a 等人1 2 1 1 在进行器件模拟过程中加入了流体动力学输运 模型，该模型更为准确的描述了g a n g a nh e m t 的工作过程。 g a n 的优良性能也激起了国内的研究热潮，主要集中在光电子领域，在中科 院第十三研究所、西安电子科技大学、北京大学、成都电子科技大学等几大高校 也都展开了对该器件的探索工作1 2 2 一1 ，并取得了一定进展，奠定了我国的g a n 蓝光产业。目前t c l 、浪潮华光光电子等企业也均将该器件的商品化生产提上了 日程。国内的g a n 产业起步较晚，与国际水平还有一定的差距，需要我国优秀的 科研工作者们，不懈努力的继续探索。国内大都专注于对g a n 基器件的研制以及 对a l g 斛g 斟h e m t 器件工作原理的研究，但是在a 1 g a n g a nh e m t 的模拟方 面做得工作还不是很多，而且由于g a n 材料的不成熟，a l g a n g a nh e m t 的很多 机理尚不明确，还不能像g a a s 那样用先进的t c a d 软件进行模拟。s y n o p s y s 推 出的第五代t c a d ，虽然可以对g a n 基器件进行模拟，但是由于对该材料的研究 还处在初级阶段，很多材料参数并不精确，无法用此仿真得到精确的结果，因此， 完善g a n 材料的特性参数，修正a i g a n g a nh e m t 的仿真模型的工作势在必行。 8 山东大学硕士学位论文 1 3 论文工作及内容安排 本论文的主要工作为使用s e n t a u r u st c a d 软件完成a 1 g a n g a nh e m t 的模 拟，通过将模拟结果与实验测量值拟合的方式，修正g a n 的材料参数及仿真模型， 建立比较完善且适合a i g a _ n g a nh e m t 的仿真案例。然后用该仿真案例对器件一 些基本特性进行分析研究，研究内容包括：器件高频性能的预测以及a 1 g a n g a n h e m t 中各参数变化对器件特性的影响关系等。本论文的具体安排如下： 第一章介绍宽禁带半导体材料的优势，分析a i g a n g a nh e m t 的研究现状， 提出本课题的研究背景及意义。 第二章阐述a i g a n g a nh e m t 器件的工作原理。首先对器件的材料特性做简 单介绍，然后对比该款器件不同结构的优劣，最后从极化效应和异质结特性两个 方面讲解a 1 g a n g a nh e m t 的工作原理。 第三章确定器件结构及尺寸，完成器件结构的模拟，给出结构模拟方案及其 结果，为物理特性仿真做好前期工作。 第四章介绍本模拟所选用的物理模型，给出修正后的物理模型及其参数。详 细讲解极化效应模型的建立方法，给出极化电荷的计算公式。 第五章对第三章中的器件结构进行物理特性的模拟，将模拟值与实际测量值 进行对比，确定所建立模拟方案的正确性，并给出该器件的其他参数的分布信息。 预测该器件的高频性能，并探讨各参数对器件特性( 直流特性及频率特性) 的影 响，得到组分、a 1 n 插层厚度、势垒层厚度、应变弛豫度等同器件特性之间的 制约关系。 9 山东大学硕士学位论文 第二章a l g a n g a nh e m t 工作原理 新代的场效应品体管f e t ( f i e l de f f e c tt r a n s i s t o r s ) t 要是基于g a a s a 1 g a a s ( 或g a n a 1 g a n ) 的异质结外延生长结构。随着外延技术的彳 断发展，半导体异 质结的外延，j i 长可以精确控制掺杂水平、势垒层厚度和合金组分。异质结场效应 晶体管( h e t e r o j u n c t i o nf i e l de f f e c tt r a n s i s t o r ，h f e t ) 的种类很多，最引人瞩f 1 的 是高电子迁移率晶体管( h i g he l e c t r o nm o b i l i t yt r a n s i s t o r s ，h e m t ) ，也常称为调 制掺杂场效应晶体管( m o d u l a t i o nd o p e df i e l de f f e c tt r a n s i s t o r ，m o d f e t ) ，尤其 是a i g a n g a nh e m t ，更是因其特有的优良特性，成为了各研究小组关注的焦点。 2 1a l x g a i _ x n g a n 材料的基本特性 从根本上讲，材料的基本特性决定了半导体器件的工作特性，对材料性能的 深入理解是器件设计和特性分析的基础。尤其在对器件进行模拟仿真时，只有对 材料特性有深刻的认识，才能建立正确完善的仿真模型，使得模拟结果与实验测 量结果更为接近。 2 1 1g a n 的材料特性 g a - f a 艳 s u b s t r a t e g a n - f a c e 要 图2 i 纤锌矿结构的原子排列 g a n 的品格结构有立方闪锌矿结构和六方纤锌矿结构两种，一般纤锌矿结构 比较稳定，较常被应用。纤锌矿结构与闪锌矿结构都是以正1 7 【 面体结构为基础构 l o 山东大学硕士学位论文 成的。与具有立方对称性的闪锌矿结构不同，纤锌矿结构为六方对称性。其结构 如图2 1 所示，它是由g a 原子和n 原子组成的六方排列的双原子层堆积而成的。 醪 4 。 g n 乒必 哆鼢 a ! ) ，a 为两种材料晶格常数 的平均值。 a i x g a l x n g a nh e m t 中其带隙从g a n 的3 4 2 e v 到a i n 的6 2 e v 连续可调， 舢x g a l - x n 作为势垒属于高带隙材料，电子将填充到低带隙的g a n 材料中，直至两 种材料具有统一的费米能级时达到平衡状态，产生能带弯曲，在a i x g a l - x n g 削界 面处形成三角形量子势阱，其异质结能带图如图2 7 ( a ) 所示。电子基本上被限 制在三角形势阱中，使其在空间上与杂质分离，这样电子的运动就不会受到杂质 的碰撞而受到限制，从而大大增加了其电子迁移率，从而能在高速领域得到广泛 应用。 2 3 3 小结 由以上分析可知，a i g a n g a nh e m t 属于耗尽型器件，其工作原理与其他