AlGaN-GaN高電子遷移率晶體管器件建模及特性研究.pdf

1、相比于其他很多半導體材料，GaN材料具有很大的帶隙寬度、較大的飽和漂移速度、不錯的熱穩(wěn)定性，高擊穿電場等特征，這使得它能夠被很好的應用于抗輻射、高頻、大功率以及光電子器件領域。AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管（HEMTs）就是基于AlGaN/GaN異質結材料制造的GaN基器件，該類器件在高跨導、大飽和電流以及高截止頻率方面有著很出色的表現(xiàn)。本文詳細介紹了AlGaN/GaN HEMT的結構及工作原理。從器件物理角度出發(fā)，研究了AlGa

2、N/GaN HEMT費米能級與二維電子氣濃度的關系和電荷控制模型，并探討學習了器件的電流崩塌效應以及抑制電流崩塌效應的措施。
　?。?）基于對大量資料的查閱，分析了AlGaN/GaN HEMT的工作原理。它是通過柵極下面的肖特基勢壘來控制AlGaN/GaN異質結中的二維電子氣（2DEG）的濃度，從而實現(xiàn)對電流的控制。所以HEMT的核心部分是摻雜的AlGaN層與未摻雜的GaN層之間的異質結。在未摻雜的GaN一側的二維電子氣與摻雜的A

3、lGaN那一側的施主雜質原子在空間上是隔離的，這減少了它們之間的散射，從而提高了載流子的遷移率，器件的特性隨之大大增強。二維電子氣除了從摻雜 AlGaN材料轉移電子和GaN溝道層雜質貢獻電子外，還有一個很重要的來源就是壓電極化和自發(fā)極化效應誘生電子的貢獻。
　?。?）電流崩塌效應是制約AlGaN/GaN HEMT器件在微波大功率領域大量應用的主要因素。深入學習了電流崩塌效應，并且基于眾多文獻總結了兩種主要的能合理解釋電流崩塌效應的

4、機制。特別的，我們歸納了幾種能夠抑制電流崩塌效應的方法，通過對一些前人的實驗結果和仿真結果的分析對這些方法做了深入的研究。
　?。?）提出了兩個新的描述HEMT費米能級與二維電子氣濃度（ns）關系的非線性關系式。與其他的近似式做比較，發(fā)現(xiàn)我們提出的關系式在器件整個工作區(qū)域內都同費米能級與二維電子氣濃度的精確數(shù)值求解結果更加吻合。以這兩個表達式為基礎，又得到了他們各自的二維電子氣濃度ns與柵壓的關系。與前人的近似做比較，發(fā)現(xiàn)提出的關

5、系式的關于ns與GofV/V的解與精確地數(shù)值解有著更好的吻合，而且在不同溫度下大的工作范圍內都是如此，特別的，提出的近似模型在亞閾值區(qū)域做了很大的改進。提出的第二個電荷控制模型對應的表達式的結構比第一個的要簡單些，它能夠被更方便的使用。除此之外，第二個模型關于ns與VG的解析表達式的解與實驗數(shù)據做了對比，發(fā)現(xiàn)在很大的柵壓變化范圍內其都與實驗數(shù)據符合的非常好。這足以說明這個適用于亞閾區(qū)到高導區(qū)的解析表達式的有效性，其可以用在后續(xù)開發(fā)HEM