（电路与系统专业论文）algangan场效应晶体管的tcad研究.pdf

山东大学硕士学位论文 两要 氮化镓( g a n ) 是近十几年来迅速发展起来的第三代宽禁带半导体材料之一， 其化学性质稳定、耐高温、耐腐蚀，非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高 密度集成的电子器件以及蓝光、绿光和紫外光电子器件。所有这些优良的性质， 很好的弥补了前两代s i 和g a a s 等半导体材料本身固有的缺点，从而成为飞速发展 的研究前沿。 a 1 g a n g a n 异质结场效应晶体管( h f e t s ) ，是以a 1 g a n g a n 异质结材料为基础 而制造的g a n 基器件。与传统的m e s f e t 器件相比，a 1 g a n g a nh f e t s 具有高跨导、 高饱和电流以及高截止频率的优良特性。另外，实验证明，g a n 基h f e t 在1 0 0 0 k 的高温下仍然保持着良好的直流特性。因此可取消为器件所设置的诸多散热环境 和散热装置，从而使整机系统的体积和重量降低，效率提高。由于g a n 材料的热导 率高、热容量大，特别是它有着较高的击穿电压，极大地提高了g a n 器件的耐压容 量和电流密度，使g a n 功率器件可工作在大功率负荷的条件下。 本文首先概括了a 1 g a n g a nh f e t 的国内外发展历史及其研究现状，提出了本 课题的研究意义和研究价值；讨论了g a n 材料的特征及特性并对a 1 g a n g a nh f e t 器件的基本结构和工作原理进行了简单的介绍。然后，文章重点表述了 a l x g a l 。n g a n 异质结构中的极化效应和二维电子气并较为深入地研究了其存在 的原理。笔者认为：所有这些，乃是异质结与同质结的核心区别所在。本课题的 诸多深入研究都是建立在基于异质结特性的模型探讨前提之上的。 本工作实现a 1 g a n g a nh f e t 器件的计算机模拟所采用的是新一代t c a d 工 具( 包括：s e n t a u r u s p r o c e s s 工艺仿真工具、s e n t a u r u s s t r u c t u r ee d i t o r 器件结构编 辑工具、s e n t a u r u s d e v i c e 物理特性仿真工具、集成化的虚拟设计平台s e n t a u r u s w o r k b e n c h 等半导体器件可制造性设计工具) 。 研究工作的核心阶段是对s e n t a u r u sd e v i c e 中的物理模型进行了选择及参数修 正以用于a 1 g a n g a nh f e t 器件的模拟；笔者使用s e n t a u r u s 系列t c a d 工具对于样 本器件所得的实验数据进行模拟拟合，与实验结果进行对比发现：对所使用的核 心模型参数进行必要的修正之后，即可以用来对a i g a n g a nh f e t 器件进行仿真， 并仿真得到a 1 g a h ，g a nh f e t 器件的诸多参数信息。最后，对a l 组分、a 1 g a n 势垒 山东大学硕士学位论文 层厚度、应变弛豫度和栅长对于a i g a n g a nh f e t 器件特性的影响之间的复杂关系 进行了计算机仿真，得到了一系列a 1 g a n g a nh f e t 器件的特性与这些器件参数变 化问的关系曲线。并对结果进行了较为深入的分析和讨论。 本研究工作是基于对a i g a n g a nh f e t 器件的工作原理和a i g a n g a nh f e t 器件物理模型进行深入的探讨为基础来进行的，在相关基础理论层次上进行了有 建设性意义的工作。 结果表明，在一定条件下增大a 1 g a n 势垒层的a l 组分、提高势垒层厚度可以提 高器件的性能，但是a l 组分过大，势垒层过厚会引起势垒层的应变弛豫，而应变 弛豫的发生会降低器件的性能。另外，栅长作为a 1 g a n g a nh f e t 器件的一个重要 的结构参数，缩短栅长可以提高器件的最大漏源饱和电流密度和非本征饱和跨导， 而且可以提高器件的特征频率。 据初步了解，国内尚没有使用半导体器件可制造性设计工具对a 1 g a n g a n h f e t 器件进行计算机模拟与分析研究的前期工作。故该项研究为国i 内a i g a n g a n h f e t 器件及相关集成电路的可制造性设计与优化研究开创了一定的工作基础，本 项研究的水平位于国内同类研究的前沿。 关键词： g a n ；a 1 g a n g a nh f e t ；t c a d 仿真；器件物理特性仿真；可制造性设计； 2 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t g a l l i u mn i t r i d e ( g a n ) i so n eo fm o s ti m p o r t a n tt h i r dg e n e r a t i o ns e m i c o n d u c t o r s a n dap r o m i s i n gm a t e r i a l si np o w e rm i c r o w a v e ，h i 曲t e m p e r a t u r e ，o p t o e l e c t r o n i c s ，a n d r a d i a t i o nr e s i s t a n ta p p l i c a t i o n sd u et oi t se x c e l l e n tp h y s i c a lp r o p e r t i e sa n dc h e m i c a l s t a b i l i t i e s ，s u c ha sw i d eb a n dg a p ，h i g he l e c t r o ns a t u r a t e dv e l o c i t y ，h i 曲b r e a k d o w n e l e c t r i cf i e l d ，h i g hp o w e rd e n s i t y , e t c a l lt h ee x c e l l e n tp r o p e r t i e sm a k eu pt h ei n h e r e n t d r a w b a c k so ft h ep r e v i o u st w og e n e r a t i o ns e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l s ，w h i c hr a p i d l y d e v e l o p si n t ot h ef o r e f r o n to f r e s e a r c ha td o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l a 1 g a n g a nh e t e r o s t r u c t u r ef i e l de f f e c tt r a n s i s t o r ( h f e t ) i sal 【i n do fg a nd e v i c e b a s e do nt h ea 1 g a n g a nh e t e r o j u n c t i o n c o m p a r i n gw i t ht h et r a d i t i o n a lm e s f e t t r a n s i s t o r s ，a 1 g a n g a n h f e t so w nt h e o u t s t a n d i n gp e r f o r m a n c e s o f h i g h t r a n s c o n d u c t a n c e ，h i g ho u t p u tc u r r e n td e n s i t ya n dh i g hc u t o f ff r e q u e n c y i na d d i t i o n ， t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tg a n b a s e dh f e t ss t i l lm a i n t a i ng o o dd cc h a r a c t e r i s t i c si n h i g ht e m p e r a t u r e s om a n yt h e r m a ld i s s i p a t i o ne n v i r o n m e n t sa n de q u i p m e n t ss e t f o r d e v i c e sc a nb ec a n c e l e d ，w h i c hr e d u c et h ew h o l es y s t e m sv o l u m ea n dw e i g h t ，a n dr a i s e t h ee f f i c i e n c y b e c a u s eo fg a nm a t e r i a l s h i g ht h e r m a lc o n d u c t i v i t y , b i gh e a tc a p a c i t y a n dh i g h e rb r e a k d o w nv o l t a g e ，g a nd e v i c e sh a v eh i g ha n t i v o l t a g ec a p a c i t ya n dc u r r e n t d e n s i t y , w h i c hm a k eg a np o w e rd e v i c e sc a n w o r ku n d e rc o n d i t i o n so fh i g h p o w e r t h et o o l su s e df o rc o m p u t e rs i m u l a t i o no fa 1 g a n g a nh f e ti st h en e w g e n e r a t i o nt c a dt o o l so fs y n o p s y si n c ，w h i c hi n c l u d es e n t a u r u sp r o c e s s ，s e n t a u r u s s t r u c t u r ee d i t o r ，s e n t a u r u sd e v i c e ，s e n t a u r u sw o r k b e n c h ，e t c t h ec e n t r a lp h a s ei st h es e l e c t i o na n dc o r r e c t i o no fp h y s i c a lm o d e l si ns e n t a u r u s d e v i c ef o ra l g a n g a nh f e ts i m u l a t i o n s e n t a u r u ss e r i e st c a dt o o l sa r eu s e df o r f i t t i n gw i t ht h ee x p e r i m e n td a t ao fas a m p l ed e v i c e t h ec o m p a r i s o nw i t he x p e r i m e n t r e s u l t ss h o wt h a tt h et o o l sc a nb eu s e df o ra 1 g a n g a nh f e ts i m u l a t i o na f t e r c o r r e c t i n gs o m ep a r a m e t e r so fc r u c i a lm o d e l s an u m b e ro fd e v i c ec h a r a c t e r i s t i c s i n f o r m a t i o n o fa i g a n g a nh f e ti so b t a i n e db ys i m u l a t i o n f i n a l l y ，c o m p u t e r s i m u l a t i o ni su s e df o rs t u d yt h ei n f l u e n c eo fd e v i c ec h a r a c t e r i s t i c sw i t ha 1c o m p o s i t i o n ， 3 山东大学硕士学位论文 a 1 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 na n dg a t el e n g t h ，a n das e r i e so fr e l a t i o n c u r v e sa r eo b t a i nf o ra n a l y s i sa n dd i s c u s s i o n t h er e s u l t ss h o wt h a ti n c r e a s i n gt h ea 1c o m p o s i t i o na n dt h i c k n e s so fa 1 g a n b a r r i e rl a y e rc a ni m p r o v et h ed e v i c e s p e r f o r m a n c e i na d d i t i o n ，g a t el e n g t hi so n eo f i m p o r t a n ts t r u c t u r ep a r a m e t e r so fa 1 g a n g a nh f e t ，a n ds h o r t e n i n gg a t el e n g t hc a n i m p r o v em a x i m u md r a i n s o u r c e s a t u r a t i o nc u r r e n t d e n s i t y ，e x t r i n s i c s a t u r a t e d t r a n s c o n d u c t a n c ea n dc h a r a c t e r i s t i cf r e q u e n c y a sf a ra siu n d e r s t a n d t h e r ei sn op r e l i m i n a r yw o r ko fc o m p u t e rs i m u l a t i o ns t u d i e s a n d a n a l y s i s f o ra 1 g a n g nh f e tu s i n gs e m i c o n d u c t o rd e v i c ed e s i g nf o r m a n u f a c t u r i n gt o o l si nc h i n a t h e r e f o r e ，t h ew o r km a k e sa c e r t a i nb a s i so ft h ed f mf o r a 1 g a n g a nh f e ta n dc o r r e l a t i v ei n t e g r a t e dc i r c u i t s ，t h ew o r ki sa tt h ef o r e f r o n ti nt h e d o m e s t i cs i m i l a rs t u d i e s k e yw o r d s ： g a n ；a 1 g a n g a nh f e t ；t c a ds i m u l a t i o n ；d e v i c es i m u l a t i o n ；d f m ： 4 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：麴垒 e l 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：蒸l 芝 导师签名 山东大学硕士学位论文 引言 s i 材料因其来源丰富、制备简单、工艺成熟、成本低等众多优势，一直在微 电子领域中占据着举足轻重的地位。然而，随着科学技术的不断发展，人们对于 半导体器件和电路和性能提出了越来越高的要求。s i 材料自身的性质决定了它在 高频、大功率及高温领域内的弱势。而人们也一直在寻求其它的材料来替代s i 材料在这些领域中的应用。g a n 材料具有带隙宽、热导率高、饱和电子漂移速度 大及化学性质稳定等特点。而且，a 1 g a n g a n 异质结构材料，即使不用任何掺杂， 仅通过极化应力就可在a 1 g a n g a n 异质界面的量子阱中产生高达1 0 1 3 c m 2 的二 维电子气密度，这些特点使得a 1 g a n g a nh f e t 在高频、大功率及高温领域有广 阔的应用前景。因此，这些年来，a 1 g a n g a n 异质结场效应晶体管( a l g a n g a n h f e t ) 一直作为半导体电子器件研究领域的热点而引起人们的广泛关注和极大兴 趣。 虽然人们对于a 1 g a n g a nh f e t 器件的研究已经持续了很多年，深度和广度 也已经达到了前所未有的水平，但是a 1 g a n g a nh f e t 器件仍然有许多的问题需 要解决，比较g a n 材料的制各，自热效应等。 a i g a n g a nh f e t 器件的计算机仿真及建模也是国内外研究的热点，近些年也 取得了很大的进步，但是长期以来国内外对于a 1 g a n g a nh f e t 器件的计算机仿 真主要还是通过联立求解薛定谔方程和泊松方程的方法来进行的，而没有使用专 门的计算机仿真工具进行仿真，因此无法得到大量的仿真结果而进行分析和研究。 本论文提出了一种新的方法，使用s y n o p s y s 公司的s e n t a u r u s 系列t c a d 工具， 通过选择适合a 1 g a n g a nh f e t 器件的仿真模型，并对其自带模型的参数进行修 正从而实现了对a 1 g a n g a nh f e t 器件的仿真。使用s e n t a u r u s 系列工具可以获 得大量的数据结果，对于a 1 g a n g a nh f e t 器件的进一步研究有很大的帮助。 5 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 氮化镓材料的发展 新型半导体材料的研究和突破，常常导致新的技术革命和新兴产业的发展。 众所周知，以g e ，s i 为代表的第一代半导体，莫定了二十世纪电子工业的基础， 形成了巨大的微电子产业群。其主要产品形式是以大规模集成电路为基础的计算 机等电子产品，并以大的晶体尺寸和窄的线条宽度作为其技术水平标志，如1 2 英寸o 1 3 微米技术等。第一代半导体材料及其集成电路的发展导致了微型计算机 的出现和整个计算机产业的飞跃，并广泛应用于信息处理、自动控制等领域，对 人类社会的发展起了极大的促进作用。它们虽然在微电子领域得到广泛应用，但 其间接能带结构的特点限制了其在光电子领域的应用。 随着以光通信为基础的信息高速公路的崛起和社会信息化的发展，以g a a s ， i n p 等i i i v 族化合物为代表的第二代半导体材料崭露头角。其主要产品形式是以光 发射器件，如半导体发光二极管( l e d ) 和激光二极管( l d ) 等为基础的光电显 示、通讯以及光存储等光电子系统，形成了巨大的信息光电产业群。其技术水平 的标志如通讯速度、信息容量以及存储密度等都有大幅度的提高。 以氮化镓为代表的第三代半导体材料【1 】【2 】，是在近十几年发展起来的新型宽禁带 半导体材料。第三代半导体材料的兴起，是以氮化镓材料高效率蓝绿光发光二极 管和蓝光半导体激光器的研制成功为标志的。 对微电子和光电子领域来说，二十世纪存在的问题和二十一世纪的发展趋势 是人们关心的焦点。高速仍然是微电子的追求目标；高温、大功率、抗辐照等还 是没有很好解决的问题：光电子的主要发展趋势是全光谱的发光器件，特别是短 波长( 绿光、蓝光、以至紫外波段) l e d 和l d ；光电集成( o e i c ) 是人们长期追 求的目标。由于光、电材料的不兼容性，目前还没有很好地实现。事实上，由于 第一代和第二代半导体材料本身的性质，决定了上述问题是不可能在前两代半导 体材料体系中得以解决的。以温度特性为例，对第一代半导体材料，s i i 艺的器件、 电路工作温度不能超过1 3 0 。c ；而第二代半导体材料的g a a s t 艺产品也最多可以工 作n 2 0 0 。因此，第三代半导体的发展就成了大势所趋。 ； 第一、第二代材料相比，第三代宽禁带半导体材料具有能隙更宽、饱和电子 6 山东大学硕士学位论文 速率更高、击穿电压更大、介电常数更小、导热性能更好等特点。对g a n 而言，其 化学性质更稳定、耐高温、耐腐蚀，非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高 密度集成的电子器件以及蓝、绿光和紫外光电子器件。所有这些优良的性质，很 好的弥补了f j 两代半导体材料本身固有的缺点，从而成为飞速发展的研究前沿。 在宽禁带半导体材料中，g a n 材料由于受到没有合适的单晶衬底材料、位错密 度大( 约为z n s e 材料的1 0 7 倍) 、n 型本底浓度太高约为1 0 1 8 c i n 弓) 和无法实现p 型掺 杂等问题的困扰，曾被认为是一种没有希望的材料，因而它的发展十分的缓慢。 但是进入9 0 年代之后，随着外延技术的发展、材料生长和器件工艺水平的不断提 高和完善，g a n 基器件的发展异常迅速，目前已经成为宽带隙半导体材料中最灿烂 的新星【3 1 。 2 国内外a i g a n ，g a nh f e t 器件的研究现状 a 1 g a n g a nh f e t ( h e t e r o s t r u c t u r ef i e l de f i e c tt r a n s i s t o r ，异质结场效应晶体 管) ，也称为高电子迁移率晶体管a 1 g a n g a nh f e t ( h i g he l e c t r o nm o b i l i t y t r a n s i s t o r ) 或者调制掺杂场效应晶体管m o d f e t ( m o d u l a t i o nd o p e df i e l de f f e c t t r a n s i s t o r ) ，是以a 1 g a n g a n 异质结材料为基础而制造的g a n 基器件。 与传统的m e s f e t 相比，a 1 g a n g a nh f e t 具有以下显著的优点： 第一，a 1 g a n g a nh f e t 具有较高的二维电子气浓度。由于a i g a n g a n 异质结 特有的极化效应，已经测量到的二维电子气的浓度高达1 0 1 3 c l n 。2 ，而且由于势阱中 的电子与施主杂质在空间上是分离的，电子迁移率得以大大的提高，表现为h f e t 器件具有高跨导、高饱和电流以及高截止频率等特性。 第二，a 1 g a n g a nh f e t 具有较高的工作温度。由于g a n 材料的禁带较宽，因 此在相当大的温度范围内，能够精确的控制自由载流子浓度，适合于高温工作。 有文献报道【4 】，g a n 基h f e t 在1 0 0 0 k 的高温下仍然保持着良好的直流特性。 a 1 g a n g a nh f e t 器件的这个特点可以减小甚至取消冷却系统，使系统的体积和重 量大大降低，效率大大提高。 第三，a 1 g a n g a nh f e t 具有较高的功率密度。g a n 材料的热导率高、热容量 大，以及较高的击穿电场。临界击穿电场的大小大致与能带隙的平方成正比，对 于g a n 材料临界击穿电场要大于4 m w c m ，而s i 和g a a s 则分别为0 2 m w c m 和 0 4 m v c m 。这极大地提高了g a n 器件的耐压容量、电流密度，使g a n 功率器件可 7 山东大学硕士学位论文 以工作在大功率的条件下。 虽然对于g a n 材料与器件的研究早在六十年代就已经丌始，但是世界上第一只 a 1 g a n g a nh f e t 直到1 9 9 3 年才由k h a n 等人制作完成，而且其性能指标还远不够 理想。据报道器件的跨导仅为2 3 m s m m ，沟道电子迁移率在3 0 0 k 时为5 6 3 c m 2 v s ， 微波特性为f r = 11 g h z ，f m a x = 1 4 g h z 【5 】。早期制作的h f e t 普遍表现出非常低的跨导 和频率相应，这与当时的工艺技术和理论研究水平紧密相关。 随着g a n 材料生长技术的进步以及人们对a 1 g a n g a nh f e t 器件理论研究的 不断深入，h f e t 器件的特性也达到了一个新的水平。1 9 9 6 年，w u 等人进行了g a n 基h f e t 的首次功率测量，结果在2 g h z 频率时达到1 1 w m m 6 1 。而到了2 0 0 1 年， l u 报道了以s i c 为衬底的h f e t 器件达到了f r = 1 0 1 g h z 和f m x = 1 0 5 g h z 的结果，输出 功率更是达到了1 0 7 w m m 【。 目前，从国外发表的研究成果看，a 1 g a n g a nh f e t 器件的最大跨导为 4 0 2 m s m m ( 蓝宝石衬底) i s 】，最大饱和电流1 7 1 0 m a m m 9 1 ，所对应的截止频率弁 和最大振荡频率f 眦。分别可达到1 2 1 g h z 和1 6 2 g h z 【l o j 。 国内在g a n 材料和器件方面已经开展了多年的研究工作，主要集中于光电子领 域。北京大学、清华大学、中国科学院半导体所等单位在g a n 光电材料和器件方面 均取得了进展，g a n 蓝光l e d 在我国的产业规模已基本形成。目前，正在从事半导 体白光器件的研制。国内关于a 1 g a n g a nh f e t 器件的研究由于受到各种条件的制 约起步较晚，目前报道的器件在性能指标上与国际水平还是有一定差距的，但是 这几年来研究进展很快。相对与言，中国科学院半导体所和微电子所、北京大学、 南京大学以及西安电子科技大学等单位在这方面起步较早，做的工作较多。2 0 0 2 年，张锦文等人报道了栅长1 5 1 t ma u - - a 1 g a n g a nh f e t 器州】，具有良好的输出 特性，最大跨导为4 7 m s m m 。2 0 0 3 年，张小玲等人报道了跨导为1 2 0 m s m m 1 2 j 。2 0 0 4 年，该研究小组发表的器件跨导就达到了2 2 0 m s m m ，显示了很好的直流特性【l 引， 这一指标在国内是比较高的，但是与国外的最高水平的器件还是有一定差距的。 作为一种新兴的器件，虽然国内外对于a 1 g a n g a nh f e t 器件的研究已经达到 一定水平，但是很多问题仍然存在，真正商业化的a 1 g a n g a nh f e t 功率器件仍 然尚未问世。除了可靠性的问题尚未解决外，缺陷导致的器件性能下降和成品率 的影响都是重要的原因。目前，质量最好的g a n 中仍然存在相当大的缺陷密度。而 且当h f e t 器件工作于大功率、高温的环境时，会产生明显的“自热效应”4 1 ， 山东大学硕士学位论文 引起附加的功率损失和电流输出能力的下降，进而降低器件的微波性能，甚至引 起功能失效。 另外，在a 1 g a n g a nh f e t 的制造工艺技术和器件特性不断取得突破的同时， 对a 1 g a n g a nh f e t 的模拟仿真工作也一直在进行中。日本的y o k o y a m a 等人早 在1 9 8 6 年就运用了联立求解薛定谔方程和泊松方程的方法来研究a 1 g a a s g a a s h f e t 的二维电子气分布。1 9 9 3 年，a b o ue l n o u r 和s c h u m e n a n n 专门比较了几种 模拟模型后发现，联立求解薛定谔方程和泊松方程的方法在精确度和有效性等方 面都具有较大的优势。接下来美国康奈尔大学( c o m e l l ) 和乔治亚理工大学的研 究人员用此种方法对a 1 g a n g a n 异质结的相关特性，包括极化效应、电势分布、 能带结构等进行了较为深入的研究【1 5 】【1 6 1 。意大利罗马大学的f a b i os a c c o n i 等人在 2 0 0 1 年用薛定谔方程、泊松方程和费米分布自洽求解的方法精确计算了 a 1 g a n g a nh f e t 器件的异质结导带边缘，并且详细讨论了极化效应对 a 1 g a n g a n 异质结导带边缘的影响；精确计算了室温下器件二维电子气电子浓度 的分布，分析了a l 组份对电子浓度分布的影响。在求得二维电子气面密度的基础 上，运用了一种准二维的方法，将沟道分为若干段，在每段沟道内假设电场恒定， 计算- t h f e t 的直流i v 特性【1 7 1 。由于a i g a n g a nh f e t 存在较为明显的自热效应， 而这个模型没有考虑温度对极化电荷、导带断续、沟道电子迁移率、二维电子气 浓度分布等重要参数的影响，因而比较粗糙，模拟结果也存在一定的误差，但它 却提供了一种精确计算a 1 g a n g a nh f e t - - 维电子气电子浓度分布以及i v 特性 的理论框架，为今后的模拟研究工作指明了方向。 国内的电子部第十三研究所和中国科学院上海微系统与信息研究所一直在开 展a 1 g a n g a nh f e t 器件的大信号、小信号建模工作，目前小信号的参数提取取 得了一些进展【1 8 】：如在提取寄生参数时，通过测量三种特定偏置条件下器件的直 流特性，得到三组曲线，然后根据经验进行优化提取；本征参数的提取采用s 参 数法，通过s 参数、y 参数、z 参数之问的相互转换，除去寄生元件的影响，得 到本征参数。 在计算机模拟方面，虽然国内外已经进行了最多的研究，也取得了很大的进 展，但是目前所做的研究大部分都是使用自洽求解薛定谔方程和泊松方程的方法 来对器件的某些特性或者参数进行仿真分析，而不是与s i 、g a a s 等成熟器件类似 的使用专门的t c a d i 具进行仿真而得到器件全方位的特性参数的信息。s y n o p s y s 9 山东大学硕士学位论文 公司丌发的新一代的s e n t a u r u s 系列t c a d 工具可以对g a n 基器件进行仿真，但是由 于由于g a n 基器件发展历史相对较短，它使用的描述g a n 材料的参数库并不完善， 而且在模拟中使用的模型并不能代表g a n 器件的现有研究状况，因此完善g a n 材料 参数和修正器件模型对于a 1 g a n g a nh f e t 器件的虚拟设计具有重要意义；另一方 面近几年的研究中，器件模拟方面的工作相对较少，所以在a i g a n g a nh f e t 器件 的可行性制造设计方面还需要做很多工作。 3 本论文的工作及内容安排 本论文通过选用s e n t a u r u s 系列t c a d 工具中的模型并对部分参数进行修正来 实现a 1 g a n g a nh f e t 器件的模拟，然后通过仿真的方法对a 1 g a n g a nh f e t 器件 的一些基本特性进行了研究和分析，本论文主要的研究内容包括：选取适合 a 1 g a n g a nh f e t 器件仿真的模型，修正模型及其参数，使用选取的模型和修正的 参数对a 1 g a n g a nh f e t 器件进行计算机模拟，研究和分析m 组分对2 d e g 和器件 直流特性的关系，研究和分析a 1 g a n 势垒层厚度对2 d e g 和器件直流特性的关系， 研究和分析应变弛豫度对2 d e g 和器件直流特性的影响，研究和分析栅长对于 a l g a n g a nh f e t 器件直流特性的影响。 本论文分为以下几个主要部分： 第一章概括了a 1 g a n g a nh f e t 器件的国内外研究现状，提出了本课题的研究 背景及意义； 第二章讨论了g a n 材料及a i g a n g a nh f e t 晶体管，包括g a n 材料结构的性 质，a 1 g a n g a nh f e t 器件的基本结构及工作原理； 第三章对实现a 1 g a n g a nh f e t 器件仿真所使用的新一代的t c a d 仿真工具 ( 包括工艺级仿真工具s e n t a u r u sp r o c e s s 、器件结构编辑工具s e n t a u r u ss t r u c t u r e e d i t o r 、器件物理特性仿真工具s e n t a u r u sd e v i c e 、集成化虚拟设计平台s e n t a u r u s w o r k b e n c h 和仿真结果查看与分析工具i n s p e c t 和t e c p l o ts v ) 进行了简要的介绍。 第四章介绍了实现a 1 g a n g a nh f e t 仿真所使用的一些基本方程和物理模型， 以及修正之后的模型的参数。 第五章使用s e n t a u r u s 系列t c a d 工具对于实验样本器件进行模拟，与实验结果 进行了对比，并给出了仿真得到的a 1 g a m g a nh f e t 的一些参数信息。 第六章使用计算机仿真的方法对a 1 组分、a 1 g a n 势垒层厚度、应变弛豫度和栅 长对于a 1 g a n g a nh f e t 器件特性的影响分别进行了分析和讨论。 1 0 山东大学硕士学位论文 第二章氮化镓材料及a 1 g a n g a nh f e t 晶体管 1 g a n 材料的基本特性 1 1 g a n 晶体结构的特性 g a n 按晶体结构可以分为纤锌矿型g a n ( h g a n ) 和闪锌矿型g a n ( c - g a n ) 两种。通常，g a n 结晶成h g a n ，这与其它i v 族化合物不同；采用m o c v d 和g s m b e ( 气源体分子束外延) 可制得c - g a n ，这其中最为重要的是选取合适 的n 源( 有高度活性) 。与h g a n 相比，c g a n 晶体结构的对称性高，具有易于 解理、带隙小( 激子能隙3 2 7 0 0 1 e v ( 4 2 k ) ，比h g a n 的小0 2 e v 左右) ， 迁移率较高等特点。表2 1 和2 2 分别示出了这两种g a n 的特性。研究发现，g a n 的晶格常数随生长条件、杂质浓度和外延层的化学剂量变化而变化，在较快的生 长速率下易获得较大的晶格常数。 表2 1e - g a n 特性 e g = 3 3 0 + 0 0 2 e v 带隙能量乓= 3 4 5 e v t = 3 2 e v a = 0 4 5 2 口0 4 5 5 n m a = 0 4 5 4 n m 晶格常数a = 0 4 5 3 l n m a = 0 4 5 n m a = 0 4 5 2 0 0 5 n m 3 1 9 6 e v 施主一受主峰值能级( 5 3 k ) 自由电子一受主峰值能级( 5 3 k ) 3 2 6 e v 7 4 0 c m 一1 声子模式 4 0 3 c m 一1 山东大学硕士学位论文 表2 - 2h - g a n 特性 乞( 3 0 0 k ) = 3 3 9 c v 带隙能量 ( 1 6 k ) = 3 0 5 e v 带隙温度系数( 3 0 0 k ) d e g d t = 一6 0 x 1 0 一e v k 带隙压力系数( 3 0 0 k ) d e g d p = 4 2 x 1 0 - e v k p a 品格常数a = 0 3 1 8 9 n m ，a = 0 5 1 8 5 n m 口a = 5 5 9 x 1 0 - 6 k 热膨胀系数( 3 0 0 k ) a c c = 3 1 7 x l o - 4 k 热导率rk = 1 3 w c m k 折射率n n ( 1 e v ) = 2 3 3 ，n ( 3 3 8 e v ) = 2 6 7 介电常数 o = 8 9 ，e o = 9 5 ，e o = 5 3 5 喊= o 0 2 mo m o a , ( t o ) = 5 3 2 c m 1 e t ( t o ) = 5 6 0 c m 1 声子模式( 3 0 0 k )岛= 1 4 4 5 6 9 c m j a i ( l o ) = 7 10 c m 。1 e _ l ( l o ) = 7 4 1e m 。1 1 2 g a n 的电学特性 非掺杂g a n 均为1 1 型，本底电子浓度在1 0 4 x 1 0 1 6 c m - 3 左右，呈现高电导； p g a n 一般属补偿材料，目前可控制掺杂浓度在1 0 1 1 一1 0 2 0 c m q 之间，并能对材料 退火来实现p 型导电。n 化合物中载流子的迁移率在低温时主要受到电离杂质的 制约，高温时则主要受到光学波声子的制约。n 。g a n 在室温和7 7 k 下的电子迁移 率分别为1 5 0 0 c m 2 v s 和6 0 0 c m 2 v s ，载流子浓度则分别达到8 x 1 0 1 5 c m - 3 和 4 x 1 0 1 6 c m 。 1 3 g a n 的光学特性 将g a n ( e g = 3 4 e v ) 与a 1 n ( e g = 1 9 e v ) 或i n n ( e g = 6 2 e v ) 制成合金， 1 2 山东大学硕士学位论文 其发光波长覆盖范围可从红光到紫光( 6 5 0 2 0 0 n m ) ，能用于制作发光二极管 ( l e d ) 和激光二极管( l d ) 。g a n 的温度系数估计为 d e g d t 一6 0 x 1 0 4 e v k ( 2 - - 1 ) 其o k 时的带隙e g = 3 5 0 3 + 0 0 0 5 e v ；在1 6 k 时有 e g ( t ) = 3 5 0 3 - t - 警( e v ) ( 2 - 2 ) 2 a i g a n g a nh f e t 的基本结构 s o u r c eg a t ed r a i n a l g a n g a n b u f f e r s u b s t r a t e 图2 - 1a 1 g a n g a n 基本结构图 a 1 g a n g a nh f e t 器件的基本结构如图2 1 所示，依次在衬底上淀积缓冲层、 g a n 及a i g a n 势垒层，然后通过合金工艺形成源、漏欧姆接触，一般组成为钛铝 钛金( t i a 1 t i a u ) 结构。早期g a nh f e t 受到几欧姆毫米的接触电阻的影响，现在 器件的欧姆接触标准为o 5q m 或更小。栅金属层一般由n i a u 组成，成矩形或伞 型。大多数实验用晶体管栅极在帽层之上，也有凹栅结构【m 。g a nh f e t 设计规则 与传统的r ff e t 相同：栅长l 在深亚微米范围；栅长与栅一沟道距离的比值为3 或 更大，由掺杂层厚度决定；栅宽w 由所要达到的输出功率确定，其范围由几十微 米到几毫米。栅宽较大的器件，一般用插指栅结构。a 1 g a n g a nh f e t 的主要结构 为a 1 g a n g a n 异质结。 1 3 山东大学硕士学位论文 2 1 衬底材料 目前很难制备足够大的单晶用作衬底实现同质生长，所以异质外延一直是实 际生长g a n 材料所采用的方法。衬底材料的选择将会影响外延材料的质量和器件性 能，选择衬底时应综合考虑它与外延材料的晶格失配度、热膨胀系数差异及生长 材料的面积和价格等因素。当然，理想的衬底材料应该与生长的晶体间具有完美 的晶格匹配的热匹配，而且，在高温时它们不应受生长化学气氛( 如氨气) 的影响。 蓝宝石、s i c 、m g o 、z n o 等都是与g a n 匹配性能较好的衬底材料。 蓝宝石与纤锌矿i i i 族氮化物具有相同的六方对称性，其制备工艺成熟，价格 较低，易于清洗和处理，且在高温下具有很好的稳定性，可大尺寸稳定生产。但 是蓝宝石衬底本身不导电，不能制作电极，解理较为困难，其晶格常数、热膨胀 系数与g a n 材料存在较大的差异，同时热导率较低。 碳化硅与蓝宝石相比本身就具有蓝光发光特性，为低阻材料，可以制作电极。 它的晶格常数与热膨胀系数与g a n 材料更加接近，且易于解理，热导率较高