AlGaN-GaN場效應(yīng)晶體管的TCAD研究.pdf

1、氮化鎵（GaN）是近十幾年來迅速發(fā)展起來的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料之一，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐高溫、耐腐蝕，非常適合于制作抗輻射、高頻、大功率和高密度集成的電子器件以及藍(lán)光、綠光和紫外光電子器件。所有這些優(yōu)良的性質(zhì)，很好的彌補了前兩代Si和GaAs等半導(dǎo)體材料本身固有的缺點，從而成為飛速發(fā)展的研究前沿。 A1GaN/GaN異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管（HFETs），是以A1GaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料為基礎(chǔ)而制造的GaN基器件。與傳統(tǒng)的MESFET

2、器件相比，A1GaN/GaNHFETs具有高跨導(dǎo)、高飽和電流以及高截止頻率的優(yōu)良特性。另外，實驗證明，GaN基HFET在1000K的高溫下仍然保持著良好的直流特性。因此可取消為器件所設(shè)置的諸多散熱環(huán)境和散熱裝置，從而使整機系統(tǒng)的體積和重量降低，效率提高。由于GaN材料的熱導(dǎo)率高、熱容量大，特別是它有著較高的擊穿電壓，極大地提高了GaN器件的耐壓容量和電流密度，使GaN功率器件可工作在大功率負(fù)荷的條件下。 本文首先概括了A1GaN

3、/GaNHFET的國內(nèi)外發(fā)展歷史及其研究現(xiàn)狀，提出了本課題的研究意義和研究價值；討論了GaN材料的特征及特性并對A1GaN/GaNHFET器件的基本結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了簡單的介紹。然后，文章重點表述了A1xGa1-xN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的極化效應(yīng)和二維電子氣并較為深入地研究了其存在的原理。筆者認(rèn)為：所有這些，乃是異質(zhì)結(jié)與同質(zhì)結(jié)的核心區(qū)別所在。本課題的諸多深入研究都是建立在基于異質(zhì)結(jié)特性的模型探討前提之上的。 本工作實現(xiàn)A1GaN

4、/GaNHFET器件的計算機模擬所采用的是新一代TCAD工具（包括：Sentaurus-Process工藝仿真工具、Sentaurus-StructureEditor器件結(jié)構(gòu)編輯工具、Sentaurus-Device物理特性仿真工具、集成化的虛擬設(shè)計平臺SentaurusWorkBench等半導(dǎo)體器件可制造性設(shè)計工具）。 研究工作的核心階段是對SentaurusDevice中的物理模型進(jìn)行了選擇及參數(shù)修正以用于A1GaN/GaN

5、HFET器件的模擬；筆者使用Sentaurus系列TCAD工具對于樣本器件所得的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬擬合，與實驗結(jié)果進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)：對所使用的核心模型參數(shù)進(jìn)行必要的修正之后，即可以用來對A1GaN/GaNHFET器件進(jìn)行仿真，并仿真得到A1GaN/GaNHFET器件的諸多參數(shù)信息。最后，對A1組分、A1GaN勢壘層厚度、應(yīng)變弛豫度和柵長對于A1GaN/GaNHFET器件特性的影響之間的復(fù)雜關(guān)系進(jìn)行了計算機仿真，得到了一系列A1GaN/GaNH

6、FET器件的特性與這些器件參數(shù)變化間的關(guān)系曲線。并對結(jié)果進(jìn)行了較為深入的分析和討論。 本研究工作是基于對A1GaN/GaNHFET器件的工作原理和A1GaN/GaNHFET器件物理模型進(jìn)行深入的探討為基礎(chǔ)來進(jìn)行的，在相關(guān)基礎(chǔ)理論層次上進(jìn)行了有建設(shè)性意義的工作。 結(jié)果表明，在一定條件下增大A1GaN勢壘層的A1組分、提高勢壘層厚度可以提高器件的性能，但是A1組分過大，勢壘層過厚會引起勢壘層的應(yīng)變弛豫，而應(yīng)變弛豫的發(fā)生會降低

7、器件的性能。另外，柵長作為A1GaN/GaNHFET器件的一個重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，縮短柵長可以提高器件的最大漏源飽和電流密度和非本征飽和跨導(dǎo)，而且可以提高器件的特征頻率。 據(jù)初步了解，國內(nèi)尚沒有使用半導(dǎo)體器件可制造性設(shè)計工具對A1GaN/GaNHFET器件進(jìn)行計算機模擬與分析研究的前期工作。故該項研究為國內(nèi)A1GaN/GaNHFET器件及相關(guān)集成電路的可制造性設(shè)計與優(yōu)化研究開創(chuàng)了一定的工作基礎(chǔ)，本項研究的水平位于國內(nèi)同類研究的前沿。