基于器件电学特性调控的GaN HEMT器件势垒厚度的设计开题报告

1. 研究目的与意义

1.1 研究背景

随着世界半导体行业巨头纷纷到国内投资，整个半导体行业快速发展，半导体材料是半导体工业的基础，这就要求材料业也要跟上半导体行业发展的步伐，半导体材料迎来其前所未有的发展机遇。半导体材料是信息技术和产品发展的“粮食”，它的发展对半导体技术的发展有极大的影响，对信息产业的发展速度起着举足轻重的作用。

迄今为止，半导体材料一共发展了有四代。第一代半导体材料代表为硅和锗，第二代半导体材料代表为砷化镓和磷化铟，宽禁带（禁带宽度Eg2.2eV）第三代半导体材料代表为耐高温化合物(碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN）等)以及第四代半导体材料代表为氧化镓（）和锑化物等。与第一、二代半导体材料相比，第三代半导体材料的优势在于有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率以及更高的抗辐射能力等，所以它更适用于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。

第三代半导体材料拥有广阔的应用前景，它能被用于半导体照明、高速轨道交通、智能电网、新一代移动通信、新能源汽车等领域，支撑起信息、交通等产业的发展。

目前来说第三代半导体材料优势巨大，应用前景大好，全球各国也在大力发展，但我国在宽禁带半导体产业化这一领域上发展还比较缓慢，更需加紧突破有关技术。

表 1-1 不同半导体材料的物理参数

氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）优势巨大，被广泛应用于5G通信（5G通讯的射频前端有着高频和高效率的严格要求，这正是氮化镓的用武之地。），光电子器件（利用GaN半导体材料宽禁带、激发蓝光的独特性质开发新的光电应用产品例如高亮度 LED、蓝光激光器）和功率电子器件等方面。

1.2 研究目的

GaN HEMT在军事上应用在雷达方面（主要有地面，空中以及船载）、精密制导和高性能空间电子设备；在商业上应用在卫星频段、数字无线电、频段非常小的波形终端、基站发射机以及宽带卫星等方面上。

但是因为GaNHEMT器件的性能优化还有很大的提升空间，所以该款器件未得到广泛的应用。随着器件尺寸的微缩，GaN HEMT器件的势垒厚度也需要等比例的减小以提高栅极对沟道的控制效果，而势垒厚度对器件的电学特性有很大的影响。本课题主要研究势垒厚度对GaN高电子迁移率晶体管电学特性的影响，并根据研究结论优化GaN HEMT器件的势垒层设计方案。主要研究内容包括不同的势垒层厚度对器件的饱和电子浓度、跨导、阈值电压等特性的影响，并在栅下势垒层设计不同的厚度拼在一起验证优化方案。在上述基础上，得出势垒层厚度影响器件特性的规律，并提出关于GaN HEMT器件势垒层设计的相关科学建议和结论。

1.3 研究意义

GaN基材料的优良物理特性如高电子饱和速度，高击穿场强，以及良好的导热性等使得GaN材料成为目前全球半导体研究的前沿和热点，也是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料。GaN HEMT具有如此多的优越性以及微波领域广阔的应用前景，而且已经有了实际生产出来的甚至已经商用的器件。但相对于硅工艺的成熟度而言还有很大的距离和局限性，还需不断的研究下去。对GaN HEMT器件势垒层厚度的优化设计，提高了器件的跨导等的性能，使得器件的栅极能在一个较宽的电压范围内工作，并且它的放大倍数也不低。

2. 研究内容和预期目标

2.1 研究内容

（1）了解gan hemt器件

充分了解gan hemt器件研究背景、发展方向和工作原理。重点关注：器件具体的结构、器件的输出特性、转移特性、cv特性、器件沟道中的二维电子气形成原理、电流崩塌现象等。

3. 研究的方法与步骤

3.1 研究方法

（1）初期调研：查阅相关资料和文献，了解国内外gan hemt器件的发展现状，从中整理和总结出实现对器件势垒层优化设计的方法，为本课题研究做好充分准备。

（2）软件仿真：通过学习silvaco软件，改变势垒层的厚度并进行仿真。

4. 参考文献

[1]陈兴.薄势垒algan/gan异质结与增强型hemt器件研究[d].陕西:西安电子科技大学,2014. doi:10.7666/d.d549174.

[2]程知群,靳立伟,冯志红.毫米波algan／ganhemt交流特性研究[j].微波学报,2012,28(6):12-15.

[3]申艳芬,林兆军,李惠军, 等.algan/gan hemt势垒层厚度影响的模拟及优化[j].微纳电子技术,2011,48(3):150-154,193. doi:10.3969/j.issn.1671-4776.2011.03.003.

5. 计划与进度安排

（1）2022.2.25-2022.3.15 查阅资料完成文献调研报告，完成开题报告的书写，完成外文资料的翻译；

（2）2022.3.16-2022.4.15 学习如何利用silvaco仿真软件仿真并导出数据进行作图，完成器件势垒层不同厚度仿真，实验测试器件电学参数验证仿真结果；

（3）2022.4.16-2022.4.30 总结并整理实验数据，进行优化实验，分析势垒层厚度的改变对不同参数如：饱和漏电流、跨导等的影响，提出合理的优化方案并形成科学结论；