增强型AlGaN/GaN槽栅HEMT器件的仿真研究

论文摘要

宽禁带半导体材料氮化镓(GaN)以其良好的物理化学和电学性能成为继第一代元素半导体硅(Si)和第二代化合物半导体砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)、磷化铟(InP)等之后迅速发展起来的第三代半导体材料。与目前绝大多数的半导体材料相比,GaN具有的独特半导体特性(大的直接带隙能、高的饱和漂移速度、大的导带不连续性、良好的热稳定性以及强的自发和压电极化效应)预示了它在高温、高频、大功率等电子领域具有极大的应用潜力。其中,AlGaN／GaN HEMT器件在微波大功率和高温应用方面均具有明显的优势。目前所研究成果主要在耗尽型器件方面,由于高压开关和高速电路的驱动,GaN基增强型器件现已成为关注的研究热点之一。在数字电路、高压开关等领域应用时需要增强型器件,可以确保在只加正的栅压下才会出现工作电流,因而针对GaN基增强型器件的研究和设计具有十分重要的理论意义和应用价值。本课题目的是研究GaN增强型器件的频率和功率性能,对槽栅增强型HEMT器件进行了深入的研究。分析了漂移扩散传输模型、载流子迁移率模型、SRH产生复合模型、Selberherr碰撞电离模型等基本物理模型以及基本工作原理；结合器件模型和材料模型,利用器件仿真软件ATLAS对耗尽型HEMT器件进行了仿真,通过二维仿真,分析了不同结构参数对器件的影响,仿真得出AlGaN层掺杂、势垒层Al组分以及肖特基势垒高度对器件特性的影响。从仿真结果可以知道增大AlGaN层掺杂掺杂浓度、提高势垒层Al组分的比例和降低肖特基势垒高度可以增大沟道电子浓度,使得输出的饱和电流Ids增大,同时阈值电压Vth绝对值也随之增大。在以上仿真结果基础上对相同结构、不同刻蚀深度的槽栅增强型HEMT器件进行仿真,分析了槽栅深度对HEMT器件特性的影响,并对不同栅槽深度(以槽栅深度为Onm,5nm,10nm,15nm为例进行分析)的器件特性进行了模拟,得出了器件饱和电流、最大跨导、阈值电压和频率特性随着栅槽深度的变化规律：当栅槽深度增大时,器件饱和电流逐渐下降,最大跨导逐渐增大,阈值电压向正方向移动,ft、fmax稍微有所减小。同时在栅和AlGaN势垒层间加入了5nm厚的SiO2绝缘层形成MOS HEMT器件,并对MOS结构增强型HEMT器件进行了仿真,与常规槽栅增强型HEMT器件相同,器件饱和电流随着刻蚀深度的增大而有所下降,但最大跨导会随着刻蚀槽栅的加深而增大,阈值电压会随着正方向移动,器件的截止频率ft和最高振荡频率fmax会逐渐减小。随后对槽栅MOS HEMT器件和常规槽栅HEMT器件进行了对比,由于所加的SiO2使栅的耗尽作用变弱造成前者的阈值电压绝对值要比后者大很多,同时在栅压一定的情况下,前者的最大饱和电流也会相应的增大很多。最终,仿真得出槽栅MOS HEMT增强型器件对比常规槽栅HEMT增强型器件,前者在刻蚀深度为13nm之前阈值电压会小于后者,但在刻蚀深度为13nm以后,阈值电压会大于后者的阈值电压,但饱和漏电流会有所降低,同时截止频率ft和最高振荡fmax比前者略有提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 AlGaN/GaN HEMT器件的优势和研究进展
• 1.2 HEMT器件模拟的现状以及存在的问题
• 1.3 本论文主要研究内容
• 第二章 HEMT器件基本原理与器件特性
• 2.1 AlGaN/GaN HEMT器件的基本结构和原理
• 2.2 AlGaN/GaN HEMT的极化效应
• 2.3 HEMT器件的材料与制备
• 2.4 HEMT器件的直流特性与频率特性
• 2.4.1:直流特性
• 2.4.2:频率特性
• 2.5 增强型AlGaN/GaN HEMT的制作
• 2.5.1 选择性生长pn结栅增强型AlGaN/GaN HEMT器件
• 2.5.2 利用氟化物基等离子体处理增强型AlGaN/GaN HEMT器件
• 2.5.3 槽栅增强型AlGaN/GaN HEMT器件
• 2.5.4 槽栅MIS增强型AlGaN/GaN HFET器件
• 第三章 GaN基HEMT器件的基本模型
• 3.1 器件模拟基础知识
• 3.2 仿真软件ATLAS概述
• 3.3 器件基本模型和参数
• 3.4 基本材料模型和参数
• 第四章 槽栅增强型AlGaN/GaN HEMT的基本特性仿真
• 4.1 模拟的HEMT器件结构和结构参数
• 4.2 不同结构参数对器件特性影响
• 4.2.1 AlGaN层掺杂的影响
• 4.2.2 势垒层Al组分的影响
• 4.2.3 肖特基势垒高度的影响
• 4.3 槽栅增强型HEMT器件特性仿真
• 4.4 槽栅MOS增强型HEMT器件特性仿真
• 4.5 槽栅增强型HEMT器件的工艺实现
• 第五章 结束语
• 致谢
• 参考文献