栅下双异质结AlGaN GaN功率器件结构设计与仿真研究

绪论研究背景及意义随着电子设备的发展和广泛应用，功率器件的需求也越来越大。功率器件是指能够处理高电流、高电压、高功率的半导体器件，如晶闸管、IGBT、MOSFET等。在这一领域中，氮化镓（GaN）半导体器件因其独特的性能特性，展现出了巨大的应用潜力。GaN具有高电子迁移率，高热导率，高频响应能力，以及高电压耐受能力等优点，这使得它在射频（RF）功率放大器，微波电子器件，高功率电子器件等多个领域具有广泛的应用前景。其中，AlGaN/GaN异质结功率器件是一种重要的GaN基半导体器件。这种器件由于其独特的材料特性和器件结构，使其在高频，高功率，高温等极端环境下依然能够保持良好的器件性能。AlGaN/GaN异质结的二维电子气（2DEG）现象，使得它在电流密度和电子迁移率上均具有优异的表现，这使得AlGaN/GaN异质结功率器件被广泛认为是未来电力电子器件的一个重要发展方向。在这个背景下，栅下双异质结AlGaN/GaN功率器件结构设计和仿真研究具有重要的意义。从实际应用的角度来看，它可以为高频、高功率应用领域提供更加高效、可靠的AlGaN/GaN功率器件，满足现代电子设备对功率器件高性能和高可靠性的需求。SiC105×105×106062×1072×1072.5×107电子迁移率un(cm2V-1s-1)9rad)从表1.1中可以看出，与其他半导体材料相比，GaN材料具有明显的优点。首先，GaN具有最宽的禁带宽度，这意味着它具有更高的电子迁移率和较低的漏电流，这是高功率和高频率应用所必需的。其次，GaN具有极高的峰值电子速度和饱和电子速度，这对于制造微波功率器件来说非常重要。高饱和速度可以导致大电流和高频率，从而使得GaN成为制造高功率和高频率器件的优选材料。最后，GaN材料的电荷载流子速度场特性是器件工作的基础，这意味着GaN材料具有更好的器件性能和更广阔的应用前景[1]。因此，GaN材料被广泛应用于高功率电子器件、LED、太阳能逆变器等领域。GaN功率器件研究进展GaN（氮化镓）材料的研究历程开始于1960年代。在这个时期，它主要被用作发光二极管（LED）的材料。然而，早期的研究遇到了许多困难，因为GaN的生长技术并不成熟，导致材料质量低下。1970年代，来自康奈尔大学的Maruska和Tietjen首次通过化学气相沉积（CVD）方法生长出了单晶GaN薄膜。这是GaN研究历程的一个重要里程碑，因为它标志着科学家们开始探索和研究GaN材料的可能性。2000年以后，GaN的研究重心转向了GaN基微波功率器件和高电子迁移率晶体管（HEMT）的研究。GaN基HEMT在高频、高功率和高温的应用中表现出了优越的性能。日本的富士通公司在2004年发布了世界上第一个GaNHEMT产品，标志着GaNHEMT商业化的开始。此外，来自美国的科研团队也在GaN材料研究上取得了一些重要的突破。例如，2006年，美国普渡大学的研究人员发现了一种新的GaN生长技术，称为“MOCVD自供给技术”，这种技术可以大大提高GaN材料的晶体质量。2014年，赤崎勇和井元伸一因他们在蓝色LED的研究上的重大贡献，共同获得了诺贝尔物理学奖。这无疑是对GaN研究历程的极大认可。2021年，美国加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）的研究团队，在SuHuang的领导下，开发了一种基于物理的射频GaNHEMT模型。他们的模型可以准确地预测在射频应用中GaNHEMT的性能。在国内，2001年北京大学与中国科学院半导体研究所公布了成功开发出AIGaN/GaNHEMT器件的研究成果。这些器件的特性参数表现出色，例如，AIGaN/GaN异质结材料的电子迁移率和二维电子气面密度分别达到了640～730cm²/Vs和0.7~1×1013cm²的水平。对于栅长为1μm的AIGaN/GaNHEMT器件，其在控制电压Vcs为0V时的最大饱和源极电流可达140mA/mm，峰值跨导为50mS/mm，最高截止频率f可达13GHz（在栅长为0.5μm，栅宽为20μm的条件下）。随后，国内的GaN材料和器件研究力量得到了进一步壮大，除了中科院相关单位和北京大学，南京大学、清华大学以及中国电子科技集团的第13研究所和55所研究所等多个科研机构和单位加入了研究行列。这些新加入的研究力量极大地推动了我国GaN材料和器件研究的发展，有助于缩小与国外在这一领域的差距，也为GaN材料和器件未来的广泛应用奠定了坚实的基础。近年来，GaN材料的研究持续深入，科学家们已经开始研究GaN的其他应用，例如用于太阳能电池，高温电子器件，射频器件等。尤其是在射频器件领域，GaN已经开始挑战传统的硅材料的地位[2]。

AlGaN/GaNHEMT器件的基本原理AlGaN/GaNHEMT器件的工作原理常规AlGaN/GaNHEMT器件结构一般由衬底、GaN缓冲层、AlGaN势垒层、钝化层、源极和漏极的欧姆接触金属以及栅极的肖特基接触金属组成，如下图2.1所示。这种结构的工作原理与传统的场效应晶体管基本相同，即通过栅极施加的偏置电压来控制沟道内的电子从源极流向漏极。但与传统的晶体管不同的是，AlGaN/GaNHEMT器件的载流子特性具有以下优点：首先，在AlGaN势垒层进行低浓度掺杂甚至不掺杂，使得载流子与掺杂离子及施主离子之间存在隔离，同时杂质散射效应很小。这使得载流子的迁移率较高，并且在高速、高频的工作环境下保持良好的性能[3]。其次，由于在热平衡状态下费米能级的一致性，使AlGaN与GaN接触界面部分能带弯曲，部分导带降低至费米能级以下形成量子阱。这种量子阱可以限制电子在垂直方向的运动，并且减小晶格散射的影响，从而使得HEMT器件的饱和速度较大。因此，AlGaN/GaNHEMT器件具有高迁移率、高饱和速度和低噪声等优点，适用于高功率、高频率、高温度和高辐射环境下的应用。极化效应自发极化效应GaN材料是由Ⅲ族元素和Ⅴ族元素的化合物组成，具有高熔点和化学稳定性。在自然条件下，GaN材料呈现出纤锌矿结构，这种结构并不是中心对称的。图2.2所示的纤锌矿结构中，GaN具有两个生长方向，分别为Ga面向上的[0001]外延生长方向和N面向上的[000]生长方向。当使用外延生长工艺制备GaN材料时，如果沿C轴生长方向是[0001]，则材料最终会以Ga原子结束，形成Ga面的GaN材料。同理，如果沿着[000]方向生长，则材料最终会以N原子结束，形成N面的GaN材料。这两种极性面具有不同的表面特性，影响材料特性。通常情况下，试验中使用Ga面的GaN材料，因为N面极性的GaN材料表面更加粗糙，影响二维电子气密度和电子速率[4]。因此，对于制备高性能的GaN材料和器件，选择合适的生长方法和生长方向是至关重要的。相对于镓(Ga)和铝(Al)，氮(N)元素具有更强的电负性，作为V族元素中最小且电负性最强的元素，氮在形成化学键时，会由于库伦作用力的影响，引导共价电子向氮原子方向偏移，这产生了显著的离子性质。这种电子偏移导致了一种内部极化电场的形成，其中负电荷的氮原子朝向因缺失共价电子而呈正电性的镓或铝原子，这种现象通常被称为自发极化。压电极化效应压电极化效应是指在外加机械应力的作用下，某些材料会发生电极化现象，导致其电学性质的变化。这种效应的产生是由于材料内部的离子极性或电偶极矩的重分布所引起的。当材料受到外界机械应力时，其内部的离子极性或电偶极矩会发生变化，导致产生电场，从而产生电极化现象。在氮化镓（GaN）和其他宽禁带半导体中，压电极化效应起着关键的作用，尤其是在异质结构中。在这种情况下，压电极化可以产生高密度的二维电子气（2DEG），提高了其在射频和功率应用中的性能。压电极化的产生主要是由于晶格参数的不匹配和材料间的应变。在AlGaN/GaN异质结构中，当在GaN基板上生长AlGaN层时，由于两种材料的晶格常数不同，AlGaN层会在生长过程中产生应变，从而诱导压电极化[5]。这种压电极化在AlGaN和GaN的界面形成一个电场，使得电子从AlGaN层堆积到GaN层，形成一个高密度的二维电子气。这种二维电子气的存在不仅增强了设备的导电性，而且提高了设备的工作频率，使得AlGaN/GaN异质结HEMT在射频和功率应用中具有优越的性能。二维电子气二维电子气体（2DEG）的密度是决定AlGaN/GaNHEMT设备性能的关键因素。研究发现，这种二维电子气体是由AlGaN/GaN异质结中的极化效应生成的。在AlGaN层中，自发极化和压电极化的双重作用导致其表面带有负极化电荷，而在异质结处则存在等电荷量的正极化电荷[6]。由于GaN层的压电极化为零，因此仅有自发极化作用，在异质结处积累一定量的负极化电荷。由于包含两种极化效应的AlGaN产生的极化电荷量更大，因此在AlGaN/GaN异质结界面的净极化电荷呈现出正电性。这些极化电荷是固定的，根据电中性原理，GaN层的表面感应生成大量可自由移动的电子。此外，从能带角度来解释，AlGaN与GaN材料的晶格失配会导致两种材料接触时费米能级保持一致，部分能带发生弯曲，导带底降低至费米能级以下，形成量子阱和能带阶梯，从而使价带中的电子得以获取能量并跃入势阱。在势阱中的电子可以在垂直于异质结表面的方向上自由移动，但在垂直于异质结的方向上的运动受到势阱的限制。双异质结AlGaN/GaN器件结构设计GaN材料优势GaN是一种III-V族化合物半导体材料，相比于传统的硅和砷化镓半导体材料，具有很多优良的特性。设计GaNHEMT采用氮化镓（GaN）作为高电子迁移率层具有以下特点：（1）高功率密度：GaN材料具有较大的饱和电子漂移速度和较高的电子饱和漂移密度，使得GaNHEMT能够承受高功率密度和高电流密度。这使得它在高频率和高功率应用中表现出色，如雷达系统、无线通信和太赫兹技术等。（2）宽禁带宽度：GaN材料具有宽的禁带宽度，使得GaNHEMT能够在高温和高电场环境下工作，有较好的热稳定性和较低的漏电流。（3）低电阻和高迁移率：GaNHEMT的凹槽栅结构减小了电流路径的长度，从而降低了电阻。此外，GaN材料具有高电子迁移率，电子在材料中的速度较高，因此具有较低的电阻和较高的开关速度。（4）宽频带性能：GaNHEMT在射频和微波频段表现出色，具有较宽的工作频带和较低的噪声系数。它能够提供高增益、高效率和低失真的性能，适用于宽带通信和雷达应用。GaNHEMT因其在高功率和高频率应用中的优异性能，成为当前研究和工业界的热点之一，具有广阔的应用前景[7-9]。凹槽栅结构优点使用凹槽栅可以改善凹槽栅下双异质结HEMT（包括GaNHEMT）的性能和特性。以下是凹槽栅的主要优点：（1）短路电流的抑制：凹槽栅的设计可以有效抑制短路电流的发生。短路电流是指电流在源极和漏极之间直接通过凹槽栅的现象。凹槽栅的存在可以提供阻碍短路电流的路径，从而减少器件的漏电流和功耗。（2）降低栅电压：凹槽栅结构可以减少栅电压的要求，提供更低的控制电压。较低的栅电压有助于降低功耗并改善器件的能效。（3）抑制漏电流：凹槽栅可以减少源漏间的电场峰值，从而降低漏电流的产生。这有助于提高器件的开关速度和工作稳定性。（4）增加阻抗匹配范围：凹槽栅结构可以改变器件的输入和输出阻抗，提供更广泛的阻抗匹配范围。这使得器件更容易与其他电路元件进行匹配，从而实现更好的信号传输和功率传输。综上所述，凹槽栅的应用可以提高凹槽栅下双异质结HEMT的性能，包括降低功耗、提高能效、减少漏电流、改善开关速度和扩展阻抗匹配范围[10]。这些优点使得凹槽栅成为广泛应用于微波和射频器件中的重要结构设计。双异质结优点（1）能带工程：通过选择不同的材料组合，双异质结可以实现能带工程，即调节能带结构以实现特定的电子和空穴传输特性。这允许在器件中实现高迁移率和高载流子浓度，从而提高电流和功率的传输能力。（2）提高载流子迁移率：通过使用具有高电子迁移率的材料作为双异质结的一部分，例如使用AlGaAs或InGaAs作为GaNHEMT中的高迁移率层，可以增加载流子的迁移率。高迁移率意味着载流子可以更快地移动，从而提高了器件的开关速度和运算速度。（3）阻挡漏电流：双异质结能够形成电势垒，从而有效地抑制漏电流的产生。这是由于双异质结中材料间的能带不连续性所引起的。这种能带不连续性阻挡了漏电流的流动，从而改善了器件的关断特性和功耗。（4）提高器件效率：双异质结可以降低电阻并提高电流密度，从而改善器件的效率。较低的电阻意味着更低的功耗损失和更高的能效。（5）改善杂质和缺陷的影响：双异质结可以帮助减少杂质和缺陷对器件性能的影响。通过在双异质结中选择合适的材料组合，可以降低界面缺陷密度，提高器件的质量和可靠性。总的来说，双异质结在半导体器件中具有广泛的应用，并带来多种优点，包括能带工程、提高载流子迁移率、阻挡漏电流、提高器件效率以及改善杂质和缺陷的影响[11]。这些优点使得双异质结成为许多高性能器件的重要组成部分。仿真设计在本次设计所涉及的器件结构如图3.1所示，采用了凹槽栅的设计，目的主要是为了使得栅极获得控制沟道的效果在普通双沟道中[12]。栅极由于离次通道较远所以无法控制的次沟道是否导电，凹槽栅的存在使得栅极可以始终保证主通道耗尽，同时插入次通道的势垒层，使得次通道在零栅压的情况下不导通，变为耗尽型的器件，上通道的存在的目的主要是为了补偿通道内存在的陷阱，在工艺工程中，由于晶体的周期性遭到破坏，在器件的交界处及其表面不可避免地引入了陷阱和缺陷，这些陷阱和缺陷的存在，使得器件性能大幅度的减弱，例如，电流崩塌，射频特性减弱等。但是双异质结的引入极大地减弱了这种现象，因为上通道不导电，仅仅作为一个陷阱补偿作用存在于器件中，使得导电的次通道不再受到表面缺陷的影响使得器件电流摆幅和跨导极大地提升。图3.1器件结构图在本次设计中所提出的HEMT结构的GaN外延结构由两个厚度为35nm的沟道层和一个厚度为25nm的势垒层组成，两个势垒层的组分均为0.3，栅极下方的P-GaN浓度为3×1017cm-3所示。在栅极-源极边缘下方，沟道层和势垒层的AlGaN组分为0.05，长度为100nm。栅长Lg、源极到栅极距离Lgs和栅极到漏极距离Lgd分别为0.3、1和2.5μm。下方的无极化未掺杂双二维电子气（2DEG）仅用于屏蔽缓冲层困捕电荷引起的势能波动。凹槽栅的设计如图3.2，凹槽栅插入了次势垒层30nm，并且在把栅下势垒层变为了GaN使得次通道不会产生极化不形成高密度的2DEG，同时使用了Al2O3将栅极包裹起来作为隔离层，避免了栅极漏电流。图3.2凹槽栅结构为了提高模拟的准确性，采用了TCAD软件，并使用了多种模型。具体而言，利用费米-狄拉克分布模型对半导体进行退化处理，采用SRH浓度相关寿命模型考虑了GaN通道中浓度相关的载流子产生和复合效应。GANSAT.N模型则基于对氮化物材料的蒙特卡洛数据进行拟合，用于描述GaN高场迁移率。双异质结AlGaN/GaN器件仿真研究silvaco仿真软件介绍Silvaco是一款全球领先的半导体仿真软件，广泛应用于微电子、光电子、材料科学和其他相关领域。Silvaco提供了一系列功能强大、可靠的仿真工具，帮助工程师和科学家设计、优化和验证高性能的半导体器件、集成电路和微纳米系统。Silvaco仿真软件为半导体行业提供了一套全面的设计、仿真和验证解决方案，有助于提高研发效率，降低成本，并加速新技术的市场推广。无论是学术界还是工业界，都可以从Silvaco的先进技术和丰富经验中受益。本文主要使用Silvaco软件中的ATLAS模块进行二维器件仿真，以研究双异质结氮化镓高电子迁移率晶体管的各种特性。图4.1为ATLAS主要设计流程，Atlas采用物理模型和数值求解方法，还提供了多种内置模型和工具，如载流子注入模型、复合模型、载流子捕获模型等，能够模拟多种半导体器件，包括晶体管、二极管、光电二极管、太阳能电池等。ATLAS提供了友好的图形用户界面和多种可视化工具，方便用户对模拟结果进行分析和优化。用户可以通过修改参数和设置边界条件来研究器件的特性和性能，如电流-电压特性、频率响应、电场分布等，适用于各种半导体器件的设计、优化和性能分析。4.1Silvaco直流特性分析转移特性转移曲线是场效应晶体管（FET）中栅极电压和漏极电流之间的关系曲线。它提供了对FET性能进行评估和分析的重要信息。转移曲线的研究有助于确定FET的阈值电压，即使FET进入导通状态所需的临界电压。同时，转移曲线的斜率表示FET的跨导特性，即栅极电压变化对漏极电流的影响程度。通过观察转移曲线，可以了解FET的工作区域，包括饱和区和线性区，从而深入了解FET的工作状态。转移曲线的分析有助于评估FET的开关特性、放大能力和线性度，并为电路设计提供指导，以选择合适的工作点和优化器件性能[13]。综上所述，转移曲线在研究FET和优化电路设计中具有重要意义。本次设计器件的转移曲线如图4.2所示，因为其为增强型器件，它的阈值电压约在1.8v左右，电流摆幅较好，在截止段并无表现出漏电现象，饱和电流达到了0.12A，同时电流在2v到3v处迅速提升，这说明在2v到3v有着很高的跨导，器件可以表现出优越的射频特性。图4.2转移特性曲线图4.3为该器件的跨导曲线，跨导是场效应晶体管（FET）或类似设备中的重要参数，用于描述输入信号（通常是栅极电压）对输出电流的影响程度。它表示了FET的电流放大能力，通过输出电流与输入信号之间的变化率来衡量。跨导越大，FET的放大能力越强。在电路设计中，跨导对于确定适当的工作点和优化放大器性能至关重要。通过控制跨导，可以实现所需的放大倍数和线性度，确保电路的准确放大和信号处理。因此，跨导是在FET设计和电路优化中需要重视的关键参数。虽然本次设计中有效跨导区间相对较小，但是却有着极高的尖峰，在这个尖峰有着很好射频特性达到了0.09S.图4.3跨导曲线输出特性曲线输出曲线是场效应晶体管（FET）的输出特性曲线，描述了漏极电流和漏极电压之间的关系。如图4.4通过分析输出曲线，我们可以了解FET的工作区域，包括饱和区和线性区，以及饱和电流和输出电阻等重要参数。此外，输出曲线还提供了关于FET的放大能力、线性度和最大输出功率的信息。通过深入分析输出曲线，我们可以评估FET的性能特点，选择合适的工作点，并优化电路设计以实现所需的放大和线性放大功能。因此，输出曲线在研究FET和电路设计中具有重要的意义。图4.4输出特性曲线射频特性GaNHEMT的射频特性通常通过截止频率、最大增益、噪声系数、功率增益、输入输出阻抗和可靠性参数等参数进行描述。截止频率表示了器件在高频范围内的工作能力，最大增益表示了在特定频率下的最大增益值。噪声系数描述了器件引入的信号噪声水平，而功率增益表示了器件在射频范围内的功率放大能力[14]。输入输出阻抗用于描述器件在信号输入和输出时的阻抗特性。可靠性参数则涵盖了漏电流、漏电流随温度变化以及热阻等指标，用于评估器件的稳定性和可靠性。通过对这些参数进行评估和比较，可以选择适合射频应用的GaNHEMT器件，并进行电路设计和性能优化。最大截止频率是指在该频率以上，器件的增益开始显著下降的频率。它是衡量器件在高频范围内的工作能力和频率响应的重要参数之一。在射频应用中，最大截止频率通常用于评估器件的高频性能和工作能力。最大截止频率计算公式如公式4-1fT较高的最大截止频率意味着器件能够在更高的频率范围内实现较高的增益。这对于高速通信、无线通信和其他高频应用至关重要。具有高最大截止频率的器件可以提供更大的带宽和更快的信号传输速度，从而满足高频率信号处理和传输的需求。最大截止频率的值取决于器件的材料特性、结构设计、工艺优化等因素。在GaNHEMT等高频器件中，采用优化的材料和结构可以实现更高的最大截止频率。通过提高材料的载流子迁移率、优化电极结构和减小载流子损失等方法，可以进一步提高器件的最大截止频率。如图4.5可知该器件在Vds=10vVg=2.3v截止频率约接