温度对hemt器件影响研究

1、Error! No text of specified style in document.摘 要GaN半导体材料具有禁带宽度大、电子饱和速度高、导热性能好等优点，在高温、大功率、微波器件领域拥有很大的发展潜力。其中，AlGaN/GaN HEMT作为GaN基微电子器件代表，可广泛利用与航天等领域。由于器件长时间工作在高偏压和高空间辐射的环境下，器件的可靠性是一件值得科学家们关注的问题，本论文主要是探讨新型的AlGaN/GaN HEMT器件。首先，介绍AlGaN/GaN HEMT器件的研究现状以及发展潜力。其次，介绍了AlGaN/GaN HEMT器件的性能参数、工作原理，介绍了仿真软件TCAD

2、silvaco的物理模型。最后，使用silvaco仿真软件自定义一个AlGaN/GaN HEMT器件，再对其进行栅电流与温度特性的仿真、势垒层厚度与栅电流特性的仿真、漏电流与温度的特性仿真、漏电流与势垒层厚度的特性仿真，仿真结束之后，又通过Origin数据处理软件进行数据处理，得出特性曲线，并通过分析特性曲线得出器件的特性，最后我们展望如何得性能更好的AlGaN/GaN器件结构。关键字：AlGaN/GaN HEMT silvaco 温度 栅泄漏电流 AbstractGaN semiconductor material having a large band gap, high electron

3、 saturation velocity, good thermal conductivity, etc., have great potential in high-temperature, high-power microwave devices in the field. And, AlGaN / GaN HEMT GaN-based microelectronic devices as representatives of other widely available and aerospace use. Because the device to work long hours un

4、der high bias and high space radiation environment, then the device reliability is a problem worthy of concern to scientists, the main thesis is to explore the new AlGaN / GaN HEMT .Firstly, research status AlGaN / GaN HEMT devices and development potential.Secondly, the introduction of the AlGaN /

5、GaN HEMT device performance parameters, working principle, introduced simulation software TCAD silvaco physical model.Finally, the use of a custom simulation software silvaco AlGaN / GaN HEMT devices, then its gate current and temperature characteristics of the simulation, the simulation of the barr

6、ier layer thickness and gate current characteristics of the leakage current versus temperature characteristic simulation, leakage current and potential characteristics of the barrier layer thickness simulation, after the end of the simulation, data processing and data processing software by Origin,

7、derived characteristic curves characteristic curves derived by analyzing the characteristics of the device, and finally we have a better outlook on how the performance of AlGaN / GaN devices structure.Key words: AlGaN/GaN HEMT SilVaco Temperature Gate leakageError! No text of specified style in docu

8、ment.i目 录第一章 绪论11.1 AlGaN/GaN HEMT的研究背景11.1.1 GaN用于微波功率器件的优势11.1.2 AlGaN/GaN HEMT 的研究发展21.1.3 GaN 器件的优点31.2 GaN HEMT研究成果51.3 论文的主要内容与工作安排7第二章 HEMT器件的基本理论92.1 AlGaN/GaN异质结材料2DEG形成92.2 器件结构和工作原理112.3 HEMT的性能参数132.3.1直流性能参数132.3.2交流小信号跨导142.3.3截止频率和最高振荡频率142.4小结14第三章 器件仿真工具173.1 silvaco TCAD软件的简介173.2

9、物理基础183.3 物理模型193.3.1载流子迁移率模型193.3.2Shockley-Read-Hall（SRH）复合模型203.3.3局部电场（Selberherr）碰撞电离模型213.4小结21第四章 HEMT器件物理模型的设定及其仿真结果234.1 不同温度对器件栅电流的影响244.2 不同势垒层厚度对栅电流的影响274.3 不同温度下栅压、漏电压与漏电流关系314.4小结33第五章 总结与展望35致 谢37参考文献39Error! No text of specified style in document.41第一章 绪论半导体产业经过几十年的快速发展，Si和GaAs半导体材料的

10、特性应用已接近其理论极限，自然需要性能更加优越的半导体材料。GaN材料便应运而生，它是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。GaN材料还有用其做成的器件具有广阔的发展前景1.1 AlGaN/GaN HEMT的研究背景1.1.1 GaN用于微波功率器件的优势GaN材料具有良好的电学特性，它具有宽的禁带宽度，高击穿电场，高热导率，还有抗辐射能力强等特点，是制作高频、高温、高压、大功率电子器件和短波长、大功率光电子器件的理想材料1.1。下表1.11.2是GaN材料与其他半导体材料的参数比较。表1.1材料性能参数比较SiGaAsH-SiCGaN禁带

11、宽度Eg（eV）1.111.433.23.42相对介电常数11.413.19.79.8击穿电场EB（Vcm-1）6*1056.5*1053.5*1065*106电子饱和速度vs（cms-1）1*1072*1072*1072.5*107电子迁移率n（cm2V-1S-1）150060008001600热导率k（Wcm-1K-1）1.50.54.91.3工作温度（）175175650600抗辐照能力（rad）104-5106109-101010JMF111410790BFOM1163410微波/毫米波器件和电路是当今微电子技术的一个重要发展方向，在国防电子通讯领域，如雷达、通信、电子战等方面；在民用

12、商业领域，如无线通信，个人通信网、定位系统、卫星接收等方面。随着卫星通信、相控阵雷达和电子对抗等技术的发展，微波/毫米波器件及其电路的地位日渐提高。近年来，以GaN、SiC、和半导体金刚石为代表的宽禁带半导体微波器件的研究开发引人注目。这类器件可以工作在高温、强辐射环境下，具有优异的微波功率特性。GaN材料可以形成调制掺杂的AlGaN/GaN异质结构，这种结构有很大的导带断续，而且在异质界面附近产生很强的自发极化和电压极化，感生出很强的界面电荷和电场，积聚起高密度的二维电子气2GEG。这种二维电子气可以由不掺杂势垒层中的电子转移来产生，这种分离减少了母体对电子的库仑力的作用，消除了电离散射中心

13、的影响，提高了电子迁移率。利用这种异质结构做成的AlGaN/GaN HEMT器件具有优异的微波功率特性，远优于GaAs基微波功率器件，而且其宽禁带的特点决定了它可以承受更高的工作结温。通常用于表征半导体材料高频大功率应用潜力的指标有两个：Baliga品质因数1.3和Johnson品质因数1.4。Baliga品质因数表达式为BFOM=0EB2 其中，0为介电常数，为迁移率。Johnson品质因数的表达式为JMF=其中EB为击穿电场，vs为电子飘移饱和速度。在表1.1中这两个参数分别表示为对Si归一化的数值。从表1.1可以看到，GaN基异质结的Baliga品质因数和Johnson品质因数最高，因而

14、最适合于制作微波大功率器件。作为新一代的微波功率器件，AlGaN/GaN HEMT将成为微波大功率器件发展的方向1.5。1.1.2 AlGaN/GaN HEMT 的研究发展AlGaN/GaN HEMT的研究发展迅速。1992年1.6，人们制造出了AlGaN/GaN 异质结材料，它是由Khan等人在蓝宝石衬底上制造出的，并利用SDH量子霍尔效应证实了AlGaN/GaN 界面二维电子气的存在。该AlGaN/GaN 异质结2DEG的室温迁移率为834cm2/Vs,77K迁移率为2626cm2/Vs。室温2DEG密度为1*1011cm-21.7。随着工艺水平的改进，材料质量不断提高，蓝宝石衬底AlGa

15、N/GaN单异质结的2DEG迁移率不断增加。1995年，低温迁移率从1992年的2626cm2/Vs增加到10300cm2/Vs1.8。对于室温2DEG迁移率，已经有报道超过2000cm2/Vs1.9。随着AlGaN/GaN异质结材料性能的不断提高，AlGaN/GaN HEMT的性能也得到了不断提高。1999年，Gaska等人在SiC衬底AlGaN/GaN HEMT获得高达9.2W/mm8GHz的功率密度1.10。2001年，Vinaya等人制造的SiC衬底AlGaN/GaN HEMT功率密度达到10.7W/mm10GHz1.11。1.1.3 GaN 器件的优点(1)高禁带宽度：我们从上面的1

16、.1表格中可以查看到GaN的禁带宽度为3.4ev远远大于Si的，由于禁带宽，宽禁带的半导体器件的抗辐射能力强，适合在空间科学和技术中应用。同时，宽禁带材料的本征载流子密度极低，已报道出在750高温下具有稳定特性的GaN电子器件。(2)高击穿电场：GaN临界击穿电场更高达5MV/cm，远远高于GaAs 的0.65MV/cm和Si的0.6MV/cm。因此，在漂移区或基区宽度相同的情况下，GaN宽禁带半导体器件可以承受更高的外加电压；或在耐压额定值相同的情况下，宽禁带半导体器件的漂移区或基区可以设计得更窄，因而导通电阻很小，可以传输更大的电流。(3)高的电子饱和漂移速度：GaN的电子饱和漂移速度为2

17、.5×107cm/s，是Si的2倍多。用饱和漂移速度高的材料制作的器件，可在功率特性不变的情况下使频率特性得以改善，因而宽禁带半导体作为场效应器件（FET）、异质结双极晶体管（HBT）和碰撞电离雪崩渡越时间二极管（IMPATT）等器件的材料，在高频和微波领域具有广阔的应用前景。(4)高的热导率：SiC热导率约是Si的两倍，是GaAs的6倍多，并且超过了金属铜。GaN与SiC的晶格失配较小，可以在SiC衬底上进行高质量GaN材料的异质外延，因此GaN器件可以充分利用SiC的高热导率特性。热导率决定了器件提高输出功率的难易程度，并影响器件的高温特性，采用高热导率材料可以缩小器件的芯片面积

18、、提高功率密度；用SiC衬底GaN材料制造的电力电子器件可以比硅器件在同等耐压能力下传输更高的电流密度，而作为集成电路材料则可以使电路的集成度大大提高。(5)高稳定性：GaN宽禁带半导体材料基本不受任何化学溶剂的腐蚀，因而宽禁带半导体器件适合于在恶劣环境下应用。(6)小的介电常数：GaN的相对介电常数为9.8，比硅和砷化镓都小。因此，在相同掺杂浓度和外加电压的条件下，GaN器件pn结电容较小，适合于高频应用。GaN不仅只有上面的六点优点，它还是最好的能带工程和应变工程半导体材料1.12，以GaN和InN、AlN为代表的III族氮化物半导体在禁带宽度上从InN的0.9ev可以连续调制到AlN的6

19、.2ev，晶格常数可以从AlN的3.112A连续调制到InN的3.553A,同时这三种氮化物半导体材料具有极好的压电极化和自发极化效应。因此，GaN、AlN及其合金宽禁带半导体材料是目前最好的实施能带工程和应变工程的半导体材料。常规的半导体技术室以掺杂工程来提高半导体材料的导电性，但是半导体技术发展到今天，仅依靠掺杂工程来提高材料性能已经达到了极限，因此应变工程和能带工程受到极大期待，可以较大提高半导体材料的特性。在亚100nm硅半导体技术中也已经采用了应变硅和GeSi/Si异质结能带工程技术。通过掺杂工程，能带工程和应变工程的综合运用，GaN基氮化物半导体材料获得物半导体材料获得了创纪录的导

20、电特性，AlGaN/GaN异质结构材料可以形成高浓度（>2*1013cm-2）和高室温迁移率（>2000cm2/Vs）的二维电子气GaN器件单位栅宽饱和漏电流超过2A/mm。已经有报道的GaN hemt器件的X波段最高输出功率密度达到32W/mm，6GHz单管输出功率达到174W，远远超越GaAs器件，而且更适合大批量生产。具有超强微波功率特性的GaN器件在先进雷达、X频段通信、3G手机基站、商用宽带通信、只能武器、电子对抗、航空航天等领域倍受推崇，具有迫切而且巨大的市场需求。同时GaN基异质结构和量子阱结构等的材料特性也在不断为半导体材料书写新的记录。所以总的看来，GaN基半导体

21、材料具有宽带隙、直接带隙、高电子漂移速度、高热导率、耐高压、耐高温、抗腐蚀、抗辐射等突出的优点，在制作高温、大功率、高频和抗辐射电子器件以及全波长、短波长光电器件方面具有得天独厚的优势，是实现高温与大功率、高频及抗辐射、全波长光电器件的理想材料，是微电子、电力电子、光电子等高新技术以及国防工业、信息产业、机电产业和能源产业等支柱产业进入21世纪后耐以继续发展的关键基础材料。目前，GaN材料主要是以异质结外延法进行制备的，电子器件主要是用于S波段以上的微波大功率放大器和高压功率开关场合和GaN基高电子迁移率晶体管（HEMT）和异质结双极晶体管（HBT）。尽管材料和电子器件都还处于从研发向商品过渡

22、阶段，但是GaN基异质结已经表现出强大的电流处理能力。GaN基HEMT在材料和器件设计方面的研究的快速发展，以及器件所表现出来的优越的微波功率特性都给人留下了深刻的印象。 1.2 GaN HEMT研究成果目前人们在GaN基材料上实现了MESFET、MISFET、JFET、HEMT等多种场效应晶体管，表1.2对此进行了比较表1.2器件MESFETMISFETJFETHEMT结构金属/n-GaN沟道金属/绝缘层/沟道（AlGaN/GaN）P-GaN栅/n-GaN沟道金属栅/AlGaN/GaN沟道栅的形成沟道上形成肖特基栅绝缘介质上形成金属栅P-GaN上形成欧姆接触AlGaN势垒上形成肖特基栅优点结

23、构简单栅漏电流小，开启电压高开启电压高电子迁移率高，电流大，击穿电压高缺点电子迁移率低，电流小需要额外的栅电压补偿压电极化场电子迁移率低，电流小，不适合做高频器件材料生长复杂，有电流崩塌从表中可看出，与其他基于GaN基材料的场效应晶体管相比，GaN HEMT更适合高频大功率器件的应用。目前GaN基HEMT器件主要结构是基于AlGaN/GaN异质结的HEMT器件。由于GaN材料强大的极化效应，AlGaN/GaN异质结中即使不掺杂也可以产生2DEG，因此常见工艺得到的器件属于耗尽型器件。GaN HEMT关键技术进步方面分为：高微波功率密度、高频性能、增强型器件与数字电路1.13。(1)高微波功率密

24、度：1993年第一个GaN HEMT器件诞生1.14，3年后GaN HEMT首次得到了微波功率特性1.15，随后输出功率密度从最初的1.1W/mm2GHz1.16提高到32.2W/mm4GHz和30.6W/mm8GHz1.17,2006年又提高41.1W/mm4GHz1.18。GaN HEMT 单个器件在栅宽度达48nm时，实现了输出总功率230W/mm2GHz1.19。微波功率密度大幅度提高，除了本证材料优势外，还有器件设计采用场板结构也是一大关键1.13。2004年，Y.F.WU eta.l设计了准场板结构，对栅场板结构进行了优化，精确地控制栅长、SiN的厚度和场板长度，把影响增益的寄生电

25、容控制在栅电容的10%-15%范围内。改研究获得在8GHz下，栅宽246m GaN HEMT 功率密度为30.6W/mm,增益10.7dB，功率附加效率为49.6%的高结果。2006年，Y.F.WU eta.l又设计了双场板结构。第一个场板与栅结合，可减少栅电阻和限制表面电子陷阱。第二个场板跨过介质覆盖的第一场板，在靠漏极一边，并和器件的源极相连接，以减少反馈寄生电容，同时能够平滑电场和提高击穿电压。在4GHz下,栅宽246为 m GaN HEMT，在135V的偏压下，功率密度达到41.4W/mm，增益16dB,功率附加效率为60%。这是目前固态微波功率器件中报道最大的功率密度。2007年，V

26、.Adivarahan.eta.l1.20采用场板绝缘栅设计和AlGaN/InGaN/GaN双异质结材料结构，研制出在较低漏压下（35v），0.7m栅长、200m栅宽MOSDHFET器件在2GHz下，功率密度为15W/mm。(1)高频性能：为了提高GaN HEMT的高频性能，主要的技术途径是减少栅长，和GaAs、InP HEMT一样，同时要克服短沟道效应。正常的HEMT的栅长和势垒厚度比要大于5倍，才能保证栅极对沟道中二维电子气的控制。GaN HEMT的AlGaN势垒层厚度一般为25-35nm，因此相应的器件栅长的临界值在100nm左右。2006年，M.Higashiwaki et al1.2

27、1,采用高质量、高铝组份AlGaN薄势垒（8nm），以及用催化式CVD工艺生长2nm的SiN钝化膜，获得了更高的二维电子气浓度和更低的电子薄层。采用60nm栅长、100m栅宽MISHEMT结构，获得fT为163GHz的结果。同年改研究小组把栅长减至30nm，fT相应提高到180GHz。2008年，改研究小组将AlGaN薄势垒层厚度减至4-6nm，同时将二维电子气的迁移率提高到1900-2000cm2/vs,60nm栅长的MISHEMT的fT达到190GHz，fmax达到251GHz。(1)增强型器件与数字电路：在GaN模拟电路中，GaN HEMT是耗尽型器件，要扩展到数字电路应用领域，必须研制

28、增强型GaN HEMT。由于在AlGaN/GaN异质结中极化电荷的存在，GaN增强型器件的制造要比InP和GaAs材料系统更困难。在研究前期人们采用了多种方法形成E-mode器件；如薄的AlGaN势垒（10nm），选择生长pn结栅，反应离子刻蚀处理栅挖槽区，Pt栅高温退火等，但器件性能都不理想。2005年，YongCaietal1.22采用氟等离子体处理栅区，能有效的把具有负电荷的氟离子注入AlGaN势垒区，使得阈值电压产生漂移，并利用形成栅时的快速退火，有效的去除等离子体产生的损伤，使得1m栅长的器件获得较好的性能。2006年，T.Palaciosetal1.23研制了栅长160nm的E-m

29、ode GaN HEMT,采用栅挖槽和氟等离子处理相结合的办法，利用InGaN背势垒，获得了和D-mode GaN HMET相当的性能；具有高跨导（>400mS/mm）、高漏电流（1.2A/mm），fT为85GHz、fmax为150GHz。改研究解决了先前制约E-mode GaN HEMT性能的两个主要因素：较低的跨导和较高的寄生电阻。GaN HEMT器件能够实现这样快的发展，首先是由于AlGaN/GaN异质结电子材料的质量和HEMT器件的工艺水平不断提高；其次为了实现大的输出功率，通常采用散热性能较好的SiC衬底，以及对器件表面淀积钝化介质膜，来抑制与材料陷阱有关的电流崩塌现象，提高器

30、件的微波性能与可靠性。1.3 论文的主要内容与工作安排在仿真软件silvaco的基础之上，建立适当的AlGaN/GaN HEMT器件模型，仿真的时候分析不同的势垒层厚度，也就是AlGaN的厚度，还有不同的温度与栅压、源漏电压等条件对栅泄漏电流的影响。论文安排如下：第1章 ，绪论，介绍GaN材料在微波大功率器件方面的应用的优势，以及近些年来国内外GaN HEMT器件的发展情况。第2章 ，主要介绍一些理论基础。首先说说AlGaN/GaN HEMT异质结材料的极化效应的产生机理；接着指出器件性能的几大参数；其次，说明了器件的结构及工作原理；最后，说明提高AlGaN/GaN HEMT器件性能的常见工艺

31、技术第3章 ，介绍仿真工具silvaco的发展及其重要意义。第4章 ，在仿真软件silvaco的基础上，建立适当的AlGaN/GaN HEMT器件模型；仿真时候分析不用势垒层厚度，也就是AlGaN的厚度，还有不同温度与栅压、源漏电压等条件对栅泄漏电流的影响。第5章 ，对全文进行总结，并概述AlGaN/GaN HEMT器件仍存在的问题与挑战。第二章 HEMT器件的基本理论GaN基器件之所以优于其他三五族化合物，是由于其本身的自发极化和压电极化，它可以在不掺杂的情况下仍能产生较高的二维电子气密度。本章重点介绍这两种极化效应，表征器件性能的几大参数，以及提高器件性能的常用工艺技术。2.1 AlGaN

32、/GaN异质结材料2DEG形成对于大部分异质结半导体器件而言，其二维电子气（2DEG）中的载流子来源于势垒层中的n型掺杂施主杂质的电离。然而，对于三族氮化物而言，情况不是那么的简单。研究发现，对于未掺杂的AlGaN/GaN异质结，由于极化电荷的存在界面处仍然可以形成高密度的二维电子气。这和同类型的AlGaAs/GaAs异质结有很大的不同，AlGaAs/GaAs异质结界面二维电子气主要来源于AlGaAs掺杂层。可见，极化电荷对于AlGaN/GaN异质结2DEG的形成具有关键性的作用，同时影响着氮化物材料和器件的性能。极化电荷有两个来源：压电极化效应和AlGaN和GaN之间的自发极化效应。在AlG

33、aN/GaN异质结中，由于GaN材料自身的强极性，内建的极化电场足以产生2DEG。这是三族氮化物的一个独特性质，其自发极化是其他三五族化合物的五倍之多。实际上，这个极化电场可以大到不掺杂的情况下就能产生2DEG。图2.1为GaN纤锌矿结构的示意图，从图中我们可以看出，c轴方向缺乏对称性，这就使得（0001）面的外延晶体生长有两个可能的极化方向。其中，（0001）面指Ga面或者阳离子面，则（000）面为N面或者阴离子面。在（0001）方向不满足反对称性，因此AlGaN和GaN沿着（0001）方向上存在这很强的自发极化效应2.1。图2.1 Ga面和N面纤锌矿结构GaN示意图同时由于AlGaN与Ga

34、N之间存在晶格失配，AlGaN/GaN界面晶格形变，引起更强的压电极化效应。由于氮化物的压电极化常数比其他的大多数三五族材料大很多，其产生的极化电场也比较大。在Ga面材料中，AlGaN层变形产生的拉应变产生的压电极化矢量是平行于其自发极化矢量的2.2，如下图2.2所示，指向衬底方向。相同的自发极化和压电极化方向进一步增加了界面处的所感应的正电荷，进一步增加了2DEG的浓度图2.2自发和压电极化效应共同作用相互增强，从而在AlGaN/GaN异质结面诱导出大量正极化电荷，正极化电荷吸引电子向AlGaN/GaN界面积累，形成高密度的二维电子气。如下表2.12.3为AlGaN/GaN异质结与AlGaA

35、s/GaAs异质结2DEG参数。表2.1AlGaN/GaN与AlGaAs/GaAs二维电子气参数最大2DEG浓度/cm22DEG迁移率/cm2-V-1S-1AlGaN/GaN15*101310002000AlGaAs/GaAs23*101285002.2 器件结构和工作原理对于大部分该器件2.4，宽禁带AlGaN势垒层是n型掺杂，窄禁带GaN沟道层是不进行掺杂的。这样，电子从宽带隙AlGaN流入窄带隙GaN一直到实现一个统一的费米能级。电子流动的最终结果就是宽带隙材料形成势垒，窄带隙材料形成三角势阱，电子在势阱中积累。如图2.3，在异质界面，二维电子气被限制在势阱中，电子平行于表面运动，这些电

36、子与电离了的空穴分离，以减小电离杂质图2.3 2DEG的形成散射效应，形成高的迁移率。肖特基势垒使AlGaN层在表面耗尽，异质结使AlGaN层在异质结表面耗尽。理想状态下，设计器件时，应该使两个耗尽区交叠，这样可以避免电子通过AlGaN层导电。AlGaN/GaN HEMT器件的典型结构如下图2.4所示。电子从源极欧姆接触进入，到沟道的2DEG层中。在漏压下，电子从源极到漏极，同时受栅压调制。理论上，该器件的沟道调制与MESFET不大相同。它并非通过栅压来调制沟道截面积，而是通过调制2DEG的浓度。图2.4 AlGaN/GaN HEMT器件的典型结构频率和功率特性是衡量GaN基HFETs最为关键

37、的两个性能指标。电流截止频率和最高振荡频率是HFETs频率特性的两个重要特征值。最大输出功率密度是HFETs功率特性的一个重要特征值。近年来，人们一直围绕着AlGaN/GaN HFETs的频率和功率特性不断采用新工艺和技术来提高器件性能。基本常见的工艺设计手段如下：(1)材料结构的改善传统的AlGaN/GaN异质结材料由于2DEG会进入到GaN层中，从而受到合金散射作用。高质量的AlGaN/GaN 异质结材料需要提高沟道2DEG迁移率和增强对2DEG的限制作用。2001年，L.Shen2.5等人在AlGaN层和GaN层之间插入了很薄的一层AlN层，增大了AlGaN层和GaN层的有效带阶差，从而

38、阻止了2DEG向GaN层的渗透，减小了合金散射作用的影响，从而提高了2DEG的迁移率(2)钝化技术钝化技术室指在器件表面淀积介质薄膜形成保护层，减小AlGaN/GaN异质结材料的表面态密度，从而可以有效的抑制电流崩塌效应。(3)场板技术场板是与电极金属相连接的金属板，场板结构2.6主要是为了减少靠近漏端栅极的边缘电场，减少了电子从栅隧穿到表面陷阱的几率，从而使得虚栅的作用减弱，有效的抑制了电流崩塌效应。(4)凹槽技术凹槽技术是由T.Egawa等人2.7提出的，是指利用刻蚀技术金属栅凹槽到势垒层中。该技术可以有效抑制电流崩塌效应、提高击穿电压以及减小栅极漏电流，从而提高器件的功率水平。2.3 H

39、EMT的性能参数2.3.1直流性能参数HEMT器件的直流性能参数主要有最大输出饱和电流密度（IDS/W）和阈值电压他等2.8。AlGaN/GaN器件分为长栅器件和短栅器件2.9。区别在于，长栅器件的电子漂移速度没达到饱和，短栅器件的电子以饱和漂移速度运动。长栅器件饱和区电流电压关系如下：IDsat=qw/LVG-VDsatVGS-VDsatnudu 短沟器件饱和区的电流电压关系如下IDsat=qwVDsatnVGS 式中，L为栅长，W为栅宽，为电气迁移率，VG为栅压，VDsat是电流达到饱和时的漏电压，VGS=VG-VS是漏电压，n是二维电子气浓度，VDsat是电子饱和漂移速度。根据阈值电压表

40、达式VT=-polCI-VN+b-ECe 以及（CI定义为栅和沟道之间的单位面积电容，d为势垒层厚度），VN=e0dND(x)(x)xdx=eND2Idd2 阈值电压与肖特基接触势垒高度b、AlGaN/GaN界面极化电荷密度pol、AlGaN层厚度（影响CI）和掺杂（影响VN）、异质结界面倒带不连续性等密切相关。其中，、和的大小直接受AlGaN层中的Al组分的影响，因此势垒层的层结构和掺杂对阈值电压有决定性控制作用2.10。2.3.2交流小信号跨导跨导gm反应了栅对沟道电流的控制能力2.11，在忽略串联电阻RS和RD的情况下所获得跨导为本征跨导gm*。在器件实际工作时，IDS在源漏串联电阻RS

41、和RD上产生压降。源电阻RS使加在栅源间的有效栅压下降，会影响饱和区跨导gm。漏电阻RD会使电流开始饱和时的源漏电压VDsat增加，但是VDS>VDsat对输出电流没有影响，因此RD对gm没有影响，实测跨导满足gm=gm*1+Rsgm* 2.3.3截止频率和最高振荡频率截止频率定义为共源等效电路中，通过输出电容的电流等于电流源时的频率，即电流增益下降为1时候的频率。在不考虑寄生元件的情况下有fT=gm*2CG 式中，为本证跨导，是栅电容。对于短沟道器件，频率极限主要受速度饱和限制。当沟道长度缩短到沟道载流子的漂移速度达到饱和时，栅极下电子的渡越时间为，跨导为,由此可得截止频率为fT=12

42、=vs2L 2.4小结AlGaN/GaN器件分为长栅器件和短栅器件。区别在于，长栅器件的电子漂移速度没达到饱和，短栅器件的电子以饱和漂移速度运动。跨导gm反应了栅对沟道电流的控制能力。截止频率定义为共源等效电路中，通过输出电容的电流等于电流源时的频率，即电流增益下降为1时候的频率。频率和功率特性是衡量GaN基HFETs最为关键的两个性能指标。电流截止频率和最高振荡频率是HFETs频率特性的两个重要特征值。第三章 器件仿真工具3.1 silvaco TCAD软件的简介随着集成电路制造工艺技术的迅速发展和日趋的成熟3.1，集成电路的集成度迅速攀升，制造流程及其工艺步骤也日趋复杂。单纯通过人工进行半

43、导体器件的设计已经无法满足人的要求了，随着计算机技术的进步，计算机辅助设计很好的与半导体器件设计联系在一起，于是半导体器件仿真模拟成为了半导体器件设计中不可少的一个环节。器件的模拟是根据器件的杂质分布、剖面结构，利用器件模型，通过半导体器件模拟程序求解半导体器件的基本方程和其他有关方程得到器件的终端特性。器件模拟是一项模型的技术，器件的实际特性能利用这种模型从理论上予以模拟，因此它是一种可以在器件研制出来之前预示器件性能参数的重要技术。使用计算机进行器件的模拟具有着重要的意义，它可以大大地缩短集成电路开发的周期，完善工艺模型以及器件物理模型数据库，可以使开发者在虚拟的系统之中完成芯片的生产工艺

44、到性能测试环节，大大提高了设计效率。另外，随着器件尺寸越来越小，芯片集成度越来越大，进行投片所需的费用越来越高，器件的模拟可以节约研制的消费，少走弯路。Silvaco的全称是SilvacoInternational是世界领先的电子设计自动化（EDA）软件供应商，公司创建于1984年，总部设于加利福利亚洲的圣塔克莱拉，在全世界设有12个分支机构。silvaco TCAD主要包括交互式工具DeckBuild和Tonyplot，工艺仿真工具ATHENA，器件仿真工具ATLAS和器件编辑器DevEdit，还有一些内部的模块。各TCAD仿真组建均可在DeckBuild界面调用，先由ATHENA或者Dev

45、Edit生产器件结构，再由ATLAS对器件进行仿真，最后由Tonyplot2D或者是Tonyplot3D显示输出。DeckBuild是一个交互式，图形化的实时运行环境，在工艺和器件仿真中作为仿真平台。DeckBuild有仿真输入和编辑的窗口，也有仿真输出和控制窗口。工艺模拟软件ATHENA嫩帮助工艺开发和优化半导体制造工艺，它能对所有关键制造（离子注入、扩散、刻蚀、淀积、光刻以及氧化等）进行快速精确的模拟。仿真能得到包括CMOS,Bipolar，SiGe，SOI，III-V，光电子以及功率器件等器件结构，并准确预测器件结构中的几何参数，掺杂剂量分布和应力。优化设计参数是速度、产量、击穿、泄漏电

46、流和可靠性达到最佳组合。它通过模拟取代耗费成本的硅片实验，可缩短开发的周期和提高成品率。器件编辑器DevEdit2D/3D可以编辑得到器件结构。器件编辑器有很多优点，如器件编辑器的结构区域是由一系列特定位置的点构成的，所以结构的边界可以很灵活，而且可以从工艺仿真得到的结构基础之上极性编辑。器件仿真系统ATLAS可以模拟半导体器件的电学、光学和热学行为。ATLAS提供一个基于物理的使用简便的模拟块的可扩展的平台，用以分析所有二维和三维模式下半导体器件的直流、交流和时域影响。Tonyplot可视化工具队结构进行显示，可显示的结构包括一维、二维、三维的结构，可以显示的信息包括几何结构、材料特性、器件

47、仿真得到的电学光学热学信息等。3.2 物理基础器件仿真的通用框架是泊松方程和连续性方程3.2。其中，迁移率，载流子浓度，禁带变窄，少子寿命，光生成速率等等参数都有专门的模型来定义。不同的模型表达式会有差别。电流密度方程和电荷传输模型通常采用玻尔兹曼近似。这些由不同的传输模型，如漂移-扩散模型，能量平衡传输模型和水力学模型等设定。电荷传输模型主要受所选的生成-复合模型的影响。(1)泊松方程泊松方程描述静电势和空间电荷密度的分布：div= 泊松方程将静电势与空间电荷密度联系起来，其中，是静电势，是介电常数，是局部空间电荷密度。基准电势可以用多种方式来定义，对于ATLAS来说，基准电势一般为固有费米

48、势，局部空间电荷密度是可动电荷与固有电荷的综合，包括电子、空穴和电离杂质。电场可以由电势的梯度可得E=- (2)载流子连续性方程电子和空穴的连续性方程由以下两个方程来定义：nt=1qdivJn+Gn-Rn pt=-1qdivJp+Gp-Rp 式中，n和p分别是电子和空穴的浓度，和分别为电子和空穴的电流密度，Gn和Gp分别为电子和空穴的产生率Rn和Rp分别为电子和空穴的复合率3.3。(3) 电流密度方程 式中，和分别代表电子和空穴电流密度，和分别代表电子和空穴的迁移率，和分别代表着电子和空穴的扩散系数。迁移率和扩散系数D的关系为：（爱因斯坦关系式）。由公式可以看出，电子电流密度和空穴电流密度都是

49、由漂移电流密度和扩散密度两个部分构成的。3.3 物理模型ATLAS中有很多物理模型，基本上可以分为五组：迁移率模型、复合模型、载流子统计模型、碰撞离化模型、隧道模型，合理的设定物理模型对仿真准确定性密切相关。3.3.1载流子迁移率模型在不同温度和电场强度下，半导体中载流子受到的各种散射类型以及强度对迁移率的影响也不同。ATLAS中的迁移率模型通常分为：低场迁移率模型、高场迁移率模型、体半导体区域迁移率模型、反型层迁移率模型。在器件模拟过程中，我们要根据不用的工作条件选择不用的载流子迁移率模型。(1) 低场载流子迁移率可以通过五种不同的方法定义，这里选取两种常用的方法进行介绍，常数低场迁移率模型

50、和浓度依赖低场迁移率模型。常数低场迁移率模型利用MUN和MUP参数给电子和空穴迁移率赋值，根据晶格散射与温度的关系由以下的方程式给出：式中的T为晶格温度。浓度依赖低场迁移率模型是ATLAS提供的一种经验模型，在T=300K的时候，迁移率与掺杂浓度密切相关，在MODEL语句中选取conmob参数即可启用该模型，迁移率在不同掺杂浓度下的数值以列表的形式给出。(2) 随着电场作用增强，电场中的载流子运动加速，载流子的漂移速度不再和电场强度成比例，而是达到饱和漂移速度。这里给出一个从低场到高场转变的迁移率计算公式：式中，E是平行电场，和分别为低场下电子和空穴的迁移率，Vsatn和Vsatp分别为电子和

51、空穴的饱和速度，BETAN和BETAP是常数，分别为1.0和2.0。3.3.2Shockley-Read-Hall（SRH）复合模型虽然HEMT是单粒子器件，但是研究发现实际上诸如频率散射、栅电流和电致发光等试验现象，说明空穴对器件还是有很大的影响，尤其是器件中电子以及空穴的产生和复合过程中。产生复合率可以根据下面这个公式进行计算：这里Et是陷阱能级，ni是本证载流子浓度，分别是电子和空穴寿命。3.3.3局部电场（Selberherr）碰撞电离模型仿真过程中，在IMPACT语句中使用selb参数启用Selberherr碰撞电离模型，它是建立在以下表达式的基础之上：式中，、分别为电子和空穴电离率

52、。总之，选取适合的物理模型是器件模拟的重要部分，选取模型参数的准确与否直接影响到器件物理特性仿真的精确程度。3.4小结随着计算机水平的不断提升，软件仿真代替了人工仿真，减少了器件设计的成本与周期。silvaco TCAD主要包括交互式工具DeckBuild和Tonyplot。器件仿真的通用框架是泊松方程和连续性方程。器件的模拟是根据器件的杂质分布、剖面结构，利用器件模型，通过半导体器件模拟程序求解半导体器件的基本方程和其他有关方程得到器件的终端特性。第四章 HEMT器件物理模型的设定及其仿真结果上一章我们介绍了TCAD Silvaco仿真软件，这一章我们将介绍我们该如何进行仿真，首先得在Dec

53、kbuild平台上编辑一个HEMT器件，然后进行温度与栅电流的变化情况、势垒层厚度与栅电流的变化情况、栅压漏电压与输出电流Id的变化情况我们在Deckbuild平台上，我们构建了一个AlGaN/GaN HEMT模型，如下：图4.1，AlGaN/GaN器件结构模型图最底下褐色的是GaN基，中间淡红色的是AlGaN层，也可以说是势垒层，淡紫色部分就是栅极，蓝色的是SiO2钝化膜。器件的总宽度是3.1um，栅长是1.5um栅极与源极之间的距离，栅极与漏极距离，势垒层厚度也就是AlGaN厚度为20nm仿真时使用的参数为：AlGaN层和GaN层背景掺杂为n型1e15，源极和漏极的掺杂为n型掺杂，掺杂浓度

54、为1e18，金属功函数为5.2eV。4.1 不同温度对器件栅电流的影响(1) 如下图4.2，AlGaN厚度也就是势垒层厚度是20nm，温度分别是100k、200k、300k、400k时候的栅压与栅电流的曲线比较图。 图4.2 AlGaN厚度为20nm时栅压与栅电流温度特性曲线图4.3 AlGaN厚度为30nm时栅压与栅电流温度特性曲线从图中我们可以看出，在相同的栅压和等势垒层厚度条件下，栅极电流随着温度的升高而增大在比较曲线中我们取出栅压为-2V时，栅电流与温度的线性变化情况，如下图4.4所示。从图中我们可以看出，随着温度的升高栅电流增大，只不过增加量是在增大的图4.4 栅压为-2V、势垒层厚

55、度为20nm时栅电流与温度的特性曲线是什么原因栅电流会随着温度的升高而增大呢？理论上有两个原因：禁带宽度的改变，载流子的浓度变化首先，我们看看禁带宽度的改变，图4.5是温度分别在100k、200k、300k、400k时，对应器件导带与价带的能带图。在导带与价带中，分别有着四条曲线，这四条曲线从下网上数分别是100K、200K、300K、400K时候的导带与价带能带图。从图中我们可以大概看出，随着温度的改变，禁带宽度基本不变或者变化很小，禁带宽度由下式计算可得：400k100k价带导带图4.5 不同温度下器件导带与价带能带图从图中我们可以看出，随着温度升高，禁带宽度并没有多大的改变，栅电流的增加

56、主要是由于温度的升高使得半导体的本证激发增强，从而使得载流子浓度升高，载流子浓度升高将使得栅电流的增大，这个结论只是在小温度跨度下成立，因为大部分的半导体的温度系数都是负的，也就是禁带宽度随着温度的升高而减小。所以，温度改变载流子浓度对栅电流的变化起主导的地位。此结论可由图4.6证明。100k200k300k400k图4.6 不同温度下电子浓度的变化从图中我们可以看出：随着温度的升高，势垒层中电子的浓度是增大的，所以在相同的栅压下，温度的高的栅电流就大。同时随着温度的升高，电子遂穿概率加大，也会使得栅电流增大。自由电子和空穴统称为载流子4.1，载流子的运输情况决定了半导体内部的电流。 4.2 不同势垒层厚度对栅电流的影响前面一节我们提到，禁带宽度和载流子浓度会影响栅极电流，那么在本节之中，到底是哪一个条件影响了栅极电流了？首先我们来看下禁带宽度的变化。如图4.7是300K条件下不同势垒层厚度（AlGaN厚度）对应的导带与价带能带图。a30nm15nm导带价带图4.7 不同势垒层厚度的导带与价带关系在图中，a区从左边到右边的线条分别是30nm、25nm、20n