典型场效应器件电荷控制模型研究

论文摘要

电荷控制模型描述了器件导电机构在栅压调控下变化的规律，它是场效应器件建模的核心部分之一。目前，场效应器件的电荷控制模型有两种建模方法：基于阈值电压模型与基于表面势的模型。由于历史原因，基于阈值电压的电荷控制模型一直是场效应器件建模的主流方法。随着微电子技术的发展，器件的尺寸越来越小，低维量子效应凸显，人们越来越强调紧凑建模（compact modeling）的思想，即利用统一的数学模型精确描述器件从强反区到积累区的性质。表面势建模方法因其物理意义明晰、模型紧凑精确而再次受到人们的关注。场效应器件有MOS与半导体异质结两类典型结构。作为当今应用最广泛的器件结构，MOS结构的建模研究一直是一个重点领域。而对于半导体异质结，新兴的第三代半导体GaN基器件因其电子迁移率高、耐压性好以及耐高温等优良品质，成为异质结器件的研究热点。本文从器件物理的角度出发，系统研究了MOS结构与AlGaN/GaN异质结结构的电荷控制建模技术。全文研究内容主要分为以下几个部分：1、综述了目前国内外MOS器件表面势建模及AlGaN/GaN异质结器件电荷控制建模的研究成果，在此基础上分析并提出了当前研究工作中存在的问题。2、详细论述半导体界面（表面）电荷分布在半经典条件与量子条件下的计算方法。在量子效应部分，发展了一种基于定态微扰论的计算二维电子气基态性质的方法。该方法导出的结果比变分波函数自洽法更为符合数值解，具有更好的精度，可以用于基于2DEG传导电流的器件建模。3、介绍了MOS结构阈值电压与表面势两类电荷控制模型。作为一种半量子修正，发展了一种考虑表面反型（积累）层电荷简并效应的表面势电荷控制模型。该模型导出的栅电容比非简并模型更符合实验数据，显示了新模型的有效性与实用性。4、介绍了AlGaN/GaN异质结器件结构及工作原理。基于线性泰勒展开的方法，发展了一种含温度变量的解析线性电荷控制模型。该模型参数由解析表达计算，可以方便的给出不同温度下的值而不涉及任何数值方法，并有一定的精度。在此解析电荷控制模型基础上，结合场致速度关系导出考虑温度变量的解析直流输出特性，并与实验数据对比。在含温I-V模型的基础上，研究了蓝宝石与SiC为基底的AlGaN/GaN HEMT自热效应及热处理措施。本文的研究成果具有较高的准确性与实用价值，有望对MOS及AlGaN/GaN异质结器件的建模提供参考与指导。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 紧凑建模与表面势模型
• 1.1.2 极具潜力的 GaN 基器件
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 表面势模型的实用化
• 1.2.2 GaN 材料与 AlGaN/GaN 异质结
• 1.2.3 AlGaN/GaN HEMT 的发展
• 1.3 当前研究中存在的问题
• 1.3.1 MOS 器件表面势模型
• 1.3.2 AlGaN/GaN 异质结器件阈值电压模型
• 1.4 本文工作简介
• 第二章 界面电荷分布计算
• 2.1 半经典统计方法
• 2.1.1 热平衡电荷分布
• 2.1.2 表面空间电荷区的电荷分布
• 2.2 考虑量子效应
• 2.2.1 2DEG 量子态
• 2.2.2 三角势井近似
• 2.2.3 变分法
• 2.3 基于微扰法的自洽求解
• 第三章 MOS 结构电荷控制模型
• 3.1 两种电荷控制模型
• 3.1.1 阈值电压模型
• 3.1.2 表面势模型
• 3.2 考虑简并效应的表面势方程
• 第四章 AlGaN/GaN 异质结电荷控制模型
• 4.1 AlGaN/GaN 异质结器件特性
• 4.1.1 器件基本结构
• 4.1.2 AlGaN/GaN 异质结极化机制
• 4.2 电荷控制模型
• 4.2.1 阈值电压
• 4.2.2 费米能级解析化
• 4.3 考虑温度变量的输出特性特性
• 4.3.1 电子漂移速度
• 4.3.2 基于线性电荷控制模型的输出模型
• 4.4 自热效应对输出特性的影响
• 4.4.1 两种基底的自热效应
• 4.4.2 自热效应的抑制
• 第五章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果