温度对hemt器件的影响研究

Error! No text of specified style in document.摘 要GaN 半导体材料具有禁带宽度大、电子饱和速度高、导热性能好等优点，在高温、大功率、微波器件领域拥有很大的发展潜力。其中，AlGaN/GaN HEMT 作为 GaN 基微电子器件代表，可广泛利用与航天等领域。由于器件长时间工作在高偏压和高空间辐射的环境下，器件的可靠性是一件值得科学家们关注的问题，本论文主要是探讨新型的 AlGaN/GaN HEMT 器件。首先，介绍 AlGaN/GaN HEMT 器件的研究现状以及发展潜力。其次，介绍了 AlGaN/GaN HEMT 器件的性能参数、工作原理，介绍了仿真软件 TCAD silvaco 的物理模型。最后，使用 silvaco 仿真软件自定义一个 AlGaN/GaN HEMT 器件，再对其进行栅电流与温度特性的仿真、势垒层厚度与栅电流特性的仿真、漏电流与温度的特性仿真、漏电流与势垒层厚度的特性仿真，仿真结束之后，又通过 Origin 数据处理软件进行数据处理，得出特性曲线，并通过分析特性曲线得出器件的特性，最后我们展望如何得性能更好的 AlGaN/GaN 器件结构。关键字：AlGaN/GaN HEMT silvaco 温度 栅泄漏电流 温度对 HEMT 器件栅泄漏电流的影响AbstractGaN semiconductor material having a large band gap, high electron saturation velocity, good thermal conductivity, etc., have great potential in high-temperature, high-power microwave devices in the field. And, AlGaN / GaN HEMT GaN-based microelectronic devices as representatives of other widely available and aerospace use. Because the device to work long hours under high bias and high space radiation environment, then the device reliability is a problem worthy of concern to scientists, the main thesis is to explore the new AlGaN / GaN HEMT .Firstly, research status AlGaN / GaN HEMT devices and development potential.Secondly, the introduction of the AlGaN / GaN HEMT device performance parameters, working principle, introduced simulation software TCAD silvaco physical model.Finally, the use of a custom simulation software silvaco AlGaN / GaN HEMT devices, then its gate current and temperature characteristics of the simulation, the simulation of the barrier layer thickness and gate current characteristics of the leakage current versus temperature characteristic simulation, leakage current and potential characteristics of the barrier layer thickness simulation, after the end of the simulation, data processing and data processing software by Origin, derived characteristic curves characteristic curves derived by analyzing the characteristics of the device, and finally we have a better outlook on how the performance of AlGaN / GaN devices structure.Key words: AlGaN/GaN HEMT SilVaco Temperature Gate leakageError! No text of specified style in document. i目 录第一章 绪论 .11.1 AlGaN/GaN HEMT 的研究背景 .11.1.1 GaN 用于微波功率器件的优势 .11.1.2 AlGaN/GaN HEMT 的研究发展 .21.1.3 GaN 器件的优点 .31.2 GaN HEMT 研究成果 .51.3 论文的主要内容与工作安排 .7第二章 HEMT 器件的基本理论 .92.1 AlGaN/GaN 异质结材料 2DEG 形成 .92.2 器件结构和工作原理 .112.3 HEMT 的性能参数 .132.3.1 直流性能参数 .132.3.2 交流小信号跨导 .142.3.3 截止频率 和最高振荡频率 .14Tfmaxf2.4 小结 .14第三章 器件仿真工具 .173.1 silvaco TCAD 软件的简介 .173.2 物理基础 .183.3 物理模型 .193.3.1 载流子迁移率模型 .193.3.2Shockley-Read-Hall（SRH ）复合模型 .203.3.3 局部电场（Selberherr）碰撞电离模型 .213.4 小结 .21第四章 HEMT 器件物理模型的设定及其仿真结果 .234.1 不同温度对器件栅电流的影响 .244.2 不同势垒层厚度对栅电流的影响 .27ii 温度对 HEMT 器件栅泄漏电流的影响4.3 不同温度下栅压、漏电压与漏电流关系 .314.4 小结 .33第五章 总结与展望 .35致 谢 .37参考文献 .39Error! No text of specified style in document. i1第一章 绪论半导体产业经过几十年的快速发展，Si 和 GaAs 半导体材料的特性应用已接近其理论极限，自然需要性能更加优越的半导体材料。GaN 材料便应运而生，它是继第一代 Ge、Si 半导体材料、第二代 GaAs、InP 化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。GaN 材料还有用其做成的器件具有广阔的发展前景1.1 AlGaN/GaN HEMT 的研究背景1.1.1 GaN 用于微波功率器件的优势GaN 材料具有良好的电学特性，它具有宽的禁带宽度，高击穿电场，高热导率，还有抗辐射能力强等特点，是制作高频、高温、高压、大功率电子器件和短波长、大功率光电子器件的理想材料 1.1。下表 1.11.2是 GaN 材料与其他半导体材料的参数比较。表 1.1 材料性能参数比较Si GaAs H-SiC GaN禁带宽度 Eg（eV） 1.11 1.43 3.2 3.42相对介电常数 11.4 13.1 9.7 9.8击穿电场 EB（Vcm -1） 6*105 6.5*105 3.5*106 5*106电子饱和速度 vs（cms -1） 1*107 2*107 2*107 2.5*107电子迁移率 n（cm 2V-1S-1）1500 6000 800 1600热导率 k（Wcm -1K-1） 1.5 0.5 4.9 1.3工作温度（） 175 175 650 600抗辐照能力（rad） 104-5 106 109-10 1010JMF 1 11 410 790BFOM 1 16 34 10微波/毫米波器件和电路是当今微电子技术的一个重要发展方向，在国防电子ii 温度对 HEMT 器件栅泄漏电流的影响2通讯领域，如雷达、通信、电子战等方面；在民用商业领域，如无线通信，个人通信网、定位系统、卫星接收等方面。随着卫星通信、相控阵雷达和电子对抗等技术的发展，微波/毫米波器件及其电路的地位日渐提高。近年来，以GaN、SiC、和半导体金刚石为代表的宽禁带半导体微波器件的研究开发引人注目。这类器件可以工作在高温、强辐射环境下，具有优异的微波功率特性。GaN 材料可以形成调制掺杂的 AlGaN/GaN 异质结构，这种结构有很大的导带断续，而且在异质界面附近产生很强的自发极化和电压极化，感生出很强的界面电荷和电场，积聚起高密度的二维电子气 2GEG。这种二维电子气可以由不掺杂势垒层中的电子转移来产生，这种分离减少了母体对电子的库仑力的作用，消除了电离散射中心的影响，提高了电子迁移率。利用这种异质结构做成的AlGaN/GaN HEMT 器件具有优异的微波功率特性，远优于 GaAs 基微波功率器件，而且其宽禁带的特点决定了它可以承受更高的工作结温。通常用于表征半导体材料高频大功率应用潜力的指标有两个：Baliga 品质因数 1.3和 Johnson 品质因数 1.4。Baliga 品质因数表达式为BFOM=0EB2 其中， 0 为介电常数， 为迁移率。Johnson 品质因数的表达式为JMF=EB2vs242其中 EB 为击穿电场，v s 为电子飘移饱和速度。在表 1.1 中这两个参数分别表示为对 Si 归一化的数值。从表 1.1 可以看到，GaN 基异质结的 Baliga 品质因数和 Johnson 品质因数最高，因而最适合于制作微波大功率器件。作为新一代的微波功率器件，AlGaN/GaN HEMT 将成为微波大功率器件发展的方向 1.5。Error! No text of specified style in document. i31.1.2 AlGaN/GaN HEMT 的研究发展AlGaN/GaN HEMT 的研究发展迅速。1992 年 1.6，人们制造出了 AlGaN/GaN 异质结材料，它是由 Khan 等人在蓝宝石衬底上制造出的，并利用 SDH 量子霍尔效应证实了 AlGaN/GaN 界面二维电子气的存在。该 AlGaN/GaN 异质结 2DEG的室温迁移率为 834cm2/Vs,77K 迁移率为 2626cm2/Vs。室温 2DEG 密度为1*1011cm-21.7。随着工艺水平的改进，材料质量不断提高，蓝宝石衬底AlGaN/GaN 单异质结的 2DEG 迁移率不断增加。 1995 年，低温迁移率从 1992 年的 2626cm2/Vs 增加到 10300cm2/Vs1.8。对于室温 2DEG 迁移率，已经有报道超过 2000cm2/Vs1.9。随着 AlGaN/GaN 异质结材料性能的不断提高，AlGaN/GaN HEMT 的性能也得到了不断提高。1999 年，Gaska 等人在 SiC 衬底 AlGaN/GaN HEMT 获得高达9.2W/mm8GHz 的功率密度 1.10。2001 年，Vinaya 等人制造的 SiC 衬底AlGaN/GaN HEMT 功率密度达到 10.7W/mm10GHz1.11。1.1.3 GaN 器件的优点(1)高禁带宽度：我们从上面的 1.1 表格中可以查看到 GaN 的禁带宽度为3.4ev 远远大于 Si 的，由于禁带宽，宽禁带的半导体器件的抗辐射能力强，适合在空间科学和技术中应用。同时，宽禁带材料的本征载流子密度极低，已报道出在 750高温下具有稳定特性的 GaN 电子器件。(2)高击穿电场：GaN 临界击穿电场更高达 5MV/cm，远远高于 GaAs 的0.65MV/cm 和 Si 的 0.6MV/cm。因此，在漂移区或基区宽度相同的情况下，GaN宽禁带半导体器件可以承受更高的外加电压；或在耐压额定值相同的情况下，宽禁带半导体器件的漂移区或基区可以设计得更窄，因而导通电阻很小，可以传输更大的电流。(3)高的电子饱和漂移速度：GaN 的电子饱和漂移速度为 2.5107cm/s，是 Si的 2 倍多。用饱和漂移速度高的材料制作的器件，可在功率特性不变的情况下使频率特性得以改善，因而宽禁带半导体作为场效应器件（FET ） 、异质结双极晶体管（HBT）和碰撞电离雪崩渡越时间二极管（IMPATT ）等器件的材料，在高频和微波领域具有广阔的应用前景。ii 温度对 HEMT 器件栅泄漏电流的影响4(4)高的热导率：SiC 热导率约是 Si 的两倍，是 GaAs 的 6 倍多，并且超过了金属铜。GaN 与 SiC 的晶格失配较小，可以在 SiC 衬底上进行高质量 GaN 材料的异质外延，因此 GaN 器件可以充分利用 SiC 的高热导率特性。热导率决定了器件提高输出功率的难易程度，并影响器件的高温特性，采用高热导率材料可以缩小器件的芯片面积、提高功率密度；用 SiC 衬底 GaN 材料制造的电力电子器件可以比硅器件在同等耐压能力下传输更高的电流密度，而作为集成电路材料则可以使电路的集成度大大提高。(5)高稳定性：GaN 宽禁带半导体材料基本不受任何化学溶剂的腐蚀，因而宽禁带半导体器件适合于在恶劣环境下应用。(6)小的介电常数：GaN 的相对介电常数为 9.8，比硅和砷化镓都小。因此，在相同掺杂浓度和外加电压的条件下，GaN 器件 pn 结电容较小，适合于高频应用。GaN 不仅只有上面的六点优点，它还是最好的能带工程和应变工程半导体材料 1.12，以 GaN 和 InN、 AlN 为代表的 III 族氮化物半导体在禁带宽度上从 InN的 0.9ev 可以连续调制到 AlN 的 6.2ev，晶格常数可以从 AlN 的 3.112A 连续调制到 InN 的 3.553A,同时这三种氮化物半导体材料具有极好的压电极化和自发极化效应。因此，GaN 、AlN 及其合金宽禁带半导体材料是目前最好的实施能带工程和应变工程的半导体材料。常规的半导体技术室以掺杂工程来提高半导体材料的导电性，但是半导体技术发展到今天，仅依靠掺杂工程来提高材料性能已经达到了极限，因此应变工程和能带工程受到极大期待，可以较大提高半导体材料的特性。在亚 100nm 硅半导体技术中也已经采用了应变硅和 GeSi/Si 异质结能带工程技术。通过掺杂工程，能带工程和应变工程的综合运用，GaN 基氮化物半导体材料获得物半导体材料获得了创纪录的导电特性，AlGaN/GaN 异质结构材料可以形成高浓度（2*10 13cm-2）和高室温迁移率（ 2000cm2/Vs）的二维电子气 GaN 器件单位栅宽饱和漏电流超过 2A/mm。已经有报道的 GaN hemt 器件的 X 波段最高输出功率密度达到 32W/mm，6GHz 单管输出功率达到 174W，远远超越 GaAs 器件，而且更适合大批量生产。具有超强微波功率特性的 GaN 器件在先进雷达、X 频段通信、3G 手机基站、商用宽带通信、只能武器、电子对抗、航空航天等领域倍受推崇，具有迫切而且巨大的市场需求。同时 GaN 基异质结构和量子阱结构等的Error! No text of specified style in document. i5材料特性也在不断为半导体材料书写新的记录。所以总的看来，GaN 基半导体材料具有宽带隙、直接带隙、高电子漂移速度、高热导率、耐高压、耐高温、抗腐蚀、抗辐射等突出的优点，在制作高温、大功率、高频和抗辐射电子器件以及全波长、短波长光电器件方面具有得天独厚的优势，是实现高温与大功率、高频及抗辐射、全波长光电器件的理想材料，是微电子、电力电子、光电子等高新技术以及国防工业、信息产业、机电产业和能源产业等支柱产业进入 21 世纪后耐以继续发展的关键基础材料。目前，GaN 材料主要是以异质结外延法进行制备的，电子器件主要是用于 S波段以上的微波大功率放大器和高压功率开关场合和 GaN 基高电子迁移率晶体管（HEMT）和异质结双极晶体管（HBT） 。尽管材料和电子器件都还处于从研发向商品过渡阶段，但是 GaN 基异质结已经表现出强大的电流处理能力。 GaN 基HEMT 在材料和器件设计方面的研究的快速发展，以及器件所表现出来的优越的微波功率特性都给人留下了深刻的印象。1.2 GaN HEMT 研究成果目前人们在 GaN 基材料上实现了 MESFET、MISFET、JFET、HEMT 等多种场效应晶体管，表 1.2 对此进行了比较表 1.2器件 MESFET MISFET JFET HEMT结构 金属 /n-GaN 沟道金属/绝缘层/沟道（AlGaN/GaN）P-GaN 栅/n-GaN 沟道金属栅/AlGaN/GaN沟道栅的形成沟道上形成肖特基栅绝缘介质上形成金属栅P-GaN 上形成欧姆接触AlGaN 势垒上形成肖特基栅优点 结构简单栅漏电流小，开启电压高开启电压高电子迁移率高，电流大，击穿电压高ii 温度对 HEMT 器件栅泄漏电流的影响6缺点电子迁移率低，电流小需要额外的栅电压补偿压电极化场电子迁移率低，电流小，不适合做高频器件材料生长复杂，有电流崩塌从表中可看出，与其他基于 GaN 基材料的场效应晶体管相比， GaN HEMT更适合高频大功率器件的应用。目前 GaN 基 HEMT 器件主要结构是基于AlGaN/GaN 异质结的 HEMT 器件。由于 GaN 材料强大的极化效应， AlGaN/GaN异质结中即使不掺杂也可以产生 2DEG，因此常见工艺得到的器件属于耗尽型器件。GaN HEMT 关键技术进步方面分为：高微波功率密