AlGaN/GaN HEMT器件击穿特性的数值模拟研究

 2022-01-17 11:01

论文总字数:17741字

目 录

一、绪论 5

1.1 AlGaN/GaN HEMT的背景和历史发展 5

1.1.1 GaN材料的应用前景 5

1.1.2 AlGaN/GaN HEMT的发展历史 6

1.2 AlGaN/GaN HEMT的理想I-V输出特性 6

1.3击穿的研究 7

1.4 提高击穿电压的方式 8

1.5论文主要结构 8

二、半导体器件模拟原理 9

2.1 半导体仿真软件Silvaco TCAD 9

2.1.1用户交互界面Deckbuild 9

2.1.2 工艺仿真器ATHENA 10

2.1.3 器件仿真器ATLAS 10

2.1.4Tonyplot 10

2.1.5 各个模块的联系及综合运用 10

2.2 HEMT工作原理 11

三、建立AlGaN/GaN HEMT器件击穿特性模拟模型 12

3.1 基本方程 12

3.1.1输运方程 12

3.1.2连续性方程 13

3.1.3泊松方程 13

3.2模型建立 13

3.2.1 迁移率模型 14

3.2.2 碰撞离化系数 14

3.2.3载流子统计模型 15

3.2.4载流子生成-复合模型 16

3.2.5材料模型 16

3.2.6极化模型 18

四、AlGaN/GaN HEMT器件击穿特性模拟 19

4.1场板结构耐压原理 20

4.2模拟过程 21

4.2.1场板长度对击穿特性的影响 21

4.2.2场板厚度对击穿电压的影响 24

4.2.3AlGaN的组分对击穿电压的影响 26

4.2.4极化电荷对击穿电压的影响 28

第五章 总结 31

参考文献 32

AlGaN/GaN HEMT器件击穿特性的数值模拟研究

柳长东

,China

Abstract:The paper studies on the breakdown characteristics of high electron mobility field effect tube(AlGaN/GaN HEMT) by using software AlGaN/Atlas.First of all,build models,including mobility models,materials models, carrier generation-recombination models etc.Secondly,study the influence of device structure parameters on breakdown characteristics through the simulations.The study found that there is a certain relationship between the breakdown characteristics and the length of field plate,the thickness of field plate, AlGaN composition fraction,polarized charge.The study provides some theoretical references for the design of device structure and the further theoretical research works.

Key words:AlGaN/GaN,HEMT,breakdownvoltage,SILVACO TCAD,2DEG

一、绪论

AlGaN/GaN HEMT的背景和历史发展

1.1.1 GaN材料的应用前景

半导体材料一直是电子产业方面的热门,一直以来都受到广泛关注,尤其是近几十年发展迅速。随着现代电子、微电子行业对材料本身属性要求的提升,半导体材料已经由最初的第一代硅、锗等和第二代材料GaAs、GaP等进化到了现在的第三代半导体材料碳化硅SiC、氮化镓GaN等。与一、二代材料相比,第三代半导体材料具有导热率高、介电常数小、饱和电子漂移率高等特点,能够在很多高压、高频、辐射等条件下工作,其中GaN一直是第三代半导体研究中热门的一种材料。

表1.1 几种半导体材料的基本参数比较

Si

GaAs

GaN

带隙(eV)

1.1

1.4

3.4

饱和电子迁移率(cm2/Vs)

1300

5000

1500

击穿电场(MV/cm)

0.3

0.4

3.3

相对介电常数

11.8

12.9

9.0

导热率(w/k·cm)

1.5

0.54

1.3

氮化镓的禁带宽度较高,这使它能承受比其他材料更高的电压。这种高击穿电场让它有很好的耐压特性。此外氮化镓较高的饱和电子迁移率和优良导热率也让它在一些重要领域不可替代。

有两个衡量材料电学特性的参数:Johnson优值因子和Baliga优值因子。两个优值因子的定义方法为:

其中EB为击穿电场,VS为电子饱和速率,ε0为介电常数,μ为迁移率

图1.1 几种常规半导体材料Johnson优值因子和Baliga优值因子

图1.2 几种半导体材料的工作范围

由图1.1可以看出,GaN材料的两种优值因子相对其他几种材料有很明显的优势。在图1.2的工作范围上来看也几乎是涵盖了几种其他材料的范围。

目前的GaN基器件研究以AlGaN/GaN HEMT为主。GaN材料是强极化材料,导致了AlGaN/GaN HEMT有很高的二维电子气浓度,可达1×1013cm-2,输出电流高再加上良好的耐压能力都加强了它的输出功率。

1.1.2 AlGaN/GaN HEMT的发展历史

1928年,Johnson首先利用NH3气体和Ga金属生成氮化镓材料。1938年,Hahn、Juza为了得到稳定的氮化镓结构,尝试生长的方法。但GaN单晶不能生成,所以一般它是在蓝宝石等衬底上生长。60年代出现化学气相沉淀方法,对GaN开始大量研究。1963年Maruska等人首次生长出GaN单晶外延膜。在这之后随着生长技术发展和材料以及异质结工艺日益先进,GaN的研究逐渐加快。80年代Yoshida等使用AlN为缓冲层,GaN薄膜质量提高。在这之后Akasaki等优化了缓冲层技术,标志着GaN衬底技术真正突破。

1993年Khan等第一次在蓝宝石衬底上制造了GaN基MESFET,在此之后GaN在场效应管等电子器件上的应用日益密切,发展极快。1994年Pankove等成功制作异质结双极晶体管。随后在优化器件在高压高频下的特性进行了许多研究,器件的最高震荡频率等也在不断优化。上世纪对GaN基器件例如AlGaN/GaN HEMT的研究主要都在国外,国内对于它的研究由于很多原因例如技术制约等起步很晚,与国际研究有一定差距。但中科院以及多所大学也对其进行了很多研究,近年来发展迅速。

AlGaN/GaN HEMT具有在高频率下有很好的输出频率的优点,耐压性好,应用在很多领域,主要为电子行业,例如在微薄通讯、雷达、高频开关中的应用。提高它的击穿电压是目前的一个研究方面,也是本论文所模拟的问题。

AlGaN/GaN HEMT的理想I-V输出特性

图1.3 HEMT的理想特性

上图是HEMT器件的理想I-V输出特性曲线图,未达到饱和时漏极电流主要取决于漏极电压,饱和时漏极电流取决于栅极电压。当器件处于饱和区时继续增大电压超过器件的承受电压时器件就会发生击穿,在使用过程中要尽可能避免击穿现象的发生,在技术上我们也一直在研究寻找击穿电压高的半导体材料制成的器件。因此耐压性是器件的一个重要参数。

1.3击穿的研究

AlGaN/GaN HEMT是一种高频大功率的电子器件,输出功率是一个非常重要的衡量标准。其中AlGaN/GaN HEMT的输出功率与它的击穿电压密切相关。为了使其具有良好的功率特性,一个方法就是提高器件的击穿电压。

引起HEMT发生击穿的主要因素雪崩击穿。雪崩击穿是指当漏源电压加大至超过击穿电压VB时漏电流突然增大的现象。发生击穿后漏电流和输出功率不再受到栅极电压的控制。HEMT器件在使用中电场最高的地方往往是栅极靠近漏端的边缘处,击穿就出现在电场最高的位置,所以栅极边缘处所能承受的最大电压就决定了HEMT的击穿电压。

图1.4 耗尽层电场线情况

如图1.4所示,AlGaN/GaN HEMT在正常工作时,加漏极电压,栅极肖特基结反偏。在栅极的中部下方的电场电场线是数值向上的,而靠近边缘处的电场线时指向边缘的,所以偏置电压相同的情况下,栅极边缘的电压会远远大于正下部分。当偏置电压变大,栅极边缘电场会很大,载流子在足够大的电场条件下发生碰撞电离,当偏置电压足够大时,发生雪崩击穿,电流迅速增大,栅极肖特基结击穿。

还有一种情况是由陷阱条件下的击穿,这种情况下与理想情况下的击穿不同。在陷阱条件下,电场峰除了在栅极边缘出现外还出现在漏极位置,同时栅极边缘的峰值会大幅降低。所以在这种情况下击穿可能发生在漏端。

1.4 提高击穿电压的方式

本论文进行模拟时主要采用的是场板结构来提高击穿电压,除此之外还有许多技术方案被广泛应用于耐压研究,常用的耐压技术有:平整沟道电场、抑制缓冲层泄露电流、抑制栅极泄露电流、采用HFET垂直结构。

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