InP基HEMT器件的基本特性仿真

1、InP基HEMT器件的基本特性仿真作者：张超 程超 夏鹏辉 杨兴业来源：卷宗2017年第10期摘 要：高电子迁移率晶体管（ HEMT）噪声低、电子迁移率高、功耗低、增益高其作为高频半导体器件的一种，对其的研究早已成为热门，并且已取得很好的进展，被视为极其有竞争力的能实际应用的高频半导体器件。本文介绍了 HEMT 等半导体器件仿真中常用物理模型，继而基于 Sentaurus TCAD 仿真软件，对 InP 基 HEMT 器件的基本特性进行了仿真，得到的结果很好地符合了理论值。最后，结合 InP 基 HEMT 器件工作原理和工程中所使用的物理模型，分析了其直流特性和交流特性等，并通过改变相关参数，

2、研究了部分因素对器件的影响。关键词：InP；HEMT；流体力学模型；特性仿真1 前言InP基高电子迁移率晶体管（HEMT），相比与于传统的晶体管器件，以其独特的高迁移率、低噪声、高增益特性，在国防航天、毫米波通信、卫星遥感以及雷达等军民用领域，拥有非常广阔的应用前景3，4。本文通过模拟仿真研究 InP基 HEMT 器件的基本特性，包括直流特性，交流特性等，对器件的工艺设计有着重要的意义。目前，国内外对 InP 基 HEMT 进行了制备上的大量研究，但是对器件模型以及仿真平台的研究还有大量的工作，以及其他技术和基础科学上的研究有待进一步进行。本文的工程中，采用 Sentaurus TCAD 半导

3、体器件模拟仿真软件，针对 InP 基HEMT 建立流体力学模型的模拟仿真平台，通过观察分析仿真的结果，为化合物半导体器件的进一步研究提供了理论支持。2 InP 基 HEMT 仿真模型分析半导体器件在仿真的时候使用的物理模型包括传统的蒙特卡罗模型、传统的漂移扩散模型和适合深亚微米器件的流体力学模型。出于计算效率的原因，本文主要使用了流体力学模型模拟仿真了 InP 基 HEMT 的转移特性、输出特性和频率特性。并对其进行了分析研究。3 In P基HEMT器件仿真特性研究用Sentaurus TCAD 软件进行InP基InGaAs/InAlAs 材料HEMT 器件的仿真，主要研究分析了其直流特性和交

4、流特性，结果显示该模型能够很好的对目标器件进行特性上的仿真。本论文所建工程中，器件上层为高掺杂帽层，以减小接触电阻。中间为T型栅，其次为12nm厚InAlAs厚势垒层，再加上Si材料delt 掺杂层，提供沟道层的二维电子气。下面是 3nm 厚 In Al As 材料的隔离层。沟道层材料为InGaAs材料，厚度为15nm。下层为缓冲层和InP材料衬底。3.1 直流特性分析图2和图3分别表示不同栅槽深度器件的转移特性，跨导，和输出特性。从仿真结果中可以看出，栅槽越深，阈值电压越大，而跨导值也会变大，输出特性的值会减小。因此，栅槽深度对器件直流特性的影响相当重要，要得到较好的器件特性，应综合考虑栅槽

5、深度对各种参数的影响，从而在器件的实际制作中结合工艺制作相应的尺寸。不同栅槽宽度对器件特性的影响可由图 4 和图5 显示。根据仿真过程发现，栅槽宽度对器件的转移特性和跨导有很大影响。没有合适的栅槽宽度，会得到很不理想的特性曲线。经过不断的尝试，最终得到合适的栅槽宽度。由仿真结果可发现，栅槽宽度对输出特性的影响并没有跨导那么大。仿真结果符合实际。在实际栅槽腐蚀中，栅槽宽度很难控制，往往材料在横向上是相同的，腐蚀液很容易扩散，因此实际的腐蚀宽度很难把握，而纵向是异种材料，通过选择腐蚀比较容易控制栅槽的纵向深度。如图6 所示，栅极势垒值对转移特性和跨导的影响仅限于增大减小阈值电压，对跨导的大小并没有

6、影响。从图7可以看出，对于输出特性，不同势垒值影响了其输出值的大小，随着Vd的增大，曲线先增大后趋于稳定。从器件结构可知，势垒的不同使栅极电压对二维电子气的浓度的影响有所变化，因此导致了输出Id的不同。3.2 交流特性分析结合实际工艺中的栅槽腐蚀，定义了不同栅槽深度，主要仿真了不同栅槽深度下的fmax和fT，分析了栅槽深度对器件交流特性的影响。HEMT交流特性中，我们主要关注器件的频率特性，其中最重要的两个指标分别为截止频率fT以及最高振荡频率fmax，截止频率指的是漏极电流的增益h21下降为1时的频率。最高振荡频率fmax时的是晶体管的单向化功率增益为1时的器件工作频率，也是器件所能进行功率

7、放大作用的最高工作频率5。从图8和图9仿真结果可以看出，深槽深度在3nm时的fmax和ft均大于1nm和5nm时，即表明，栅槽深度在一个合适值的时候，fmax和ft才会达到最大值，而且栅槽深度不应该过小，也不应该过大，应处于一个合适的区间。这一仿真结果对实际器件研发有直到性的意义，应综合分析器件各特性，寻找最合适的栅槽深度。据调研，目前数字腐蚀这一方法可以精确刻蚀栅槽深度，因此对制造理想栅槽深度的器件很有意义。4 结论从仿真结果来看，所建立的InP基HEMT器件模型具有良好的半导体器件特性，适用于高频电路。但仍需不断优化改良，后续的工作可进一步放在 HEMT的栅槽。应进一步完善栅槽腐蚀的工艺，确保栅槽腐蚀更为精确，以免与实际要求差异太大而影响器件的应用。在仿真工作中，所模拟的掺杂情况与实际器件可能有一定差异，为更精确的模拟器件，还应该进一步研究所建立的器件模型中的掺杂分布情况，并完善SDE中的模型。参考文献1姚立华.国外InPHEMT和InPHBT的发展现状及应用J.半导体技术，2009，11：1053-1057.2高勇.半导体材料