基于器件直流特性的GaN HEMT器件栅长设计与优化开题报告

1.1 课题背景

随着社会的高速发展，半导体为了适应经济的发展在材料及器件性能方面有了更高更严格的要求。经历了Si和Ge为代表的第一代半导体及以GaAs和InP为代表的第二代半导体后，以GaN、SiC为代表的第三代半导体材料逐渐成为研究热点。

第一代半导体材料Si、Ge及第二代半导体材料GaAs现如今大范围运用于各种电子器件中。一代半导体主要在大规模集成电路领域，二代半导体由于迁移率高，主要应用在超高速集成电路、微波功率放大器领域^[1]在半导体产业中仍占有主体地位。但是，在高温期、高频和高功率等方面仍受到限制，在此背景下，第三代半导体应运而生。

第三代半导体主要是指以GaN、SiC、ZnSe等禁宽带半导体材料为主的第三代半导体^[2]。其中，以GaN为代表的第三代半导体具有禁带宽度大、击穿电场强、电子饱和速度大、化学稳定性好、热稳定性好以及抗辐射等良好特性。下表1.1为各半导体材料的性能参数^[3]。

表1.1 各半导体材料的性能参数

由上表可知，相较于前两代的半导体材料，第三代半导体材料具有很多优势，以

GaN材料为例：第一，GaN具有较大宽带禁度，达到了3.4eV,因此能适应较高温度环境；第二，GaN的电子饱和速度是Si的2.5倍，因此其可在高电场下获得大的电流密度和输出功率，使器件能在高频下正常工作；第三，GaN的击穿电场很大，这使GaN基器件最适宜应用于大功率器件；最后，其具有较高的热导率和较大的相对介电常数。

表中的Baliga优值半导体材料的品质因数，是衡量半导体材料在高频、大功率方面的应用潜力指标之一。表达式如下：

BFOM= ^{QUOTE 2}

其中为电子迁移率，为介电质常数。由表1.1可知，GaN材料的Baliga优值明显优于Si、GaAs材料，因此在相同频率情况下，GaN基器件能输出更高功率。由此可得GaN基HEMT在5G、雷达、通讯及电子电力领域有着广阔的前景。

1.2 课题目的

栅长是决定AIGaN/GaNHEMT器件微波性能至关重要的因素之一。目前对于AIGaN/GaN HEMT器件研究的重点为提高电流增益截止频率以及最大震荡截止频率。电流增益截止频率与电子渡越栅下区域所需时间有关，是栅长与电子速率关系的直接体现。最大震荡截止频率是截止频率与器件寄生参数的函数。下面给出电流增益截止频率及最大震荡截止频率的表达式如下：

(1.2-1)

(1.2-2)

表达式中是电子的平均漂移速度，是器件的栅长，是输出电导，和为寄生的栅串联电阻和源串联电阻，为栅漏电容。由表达式可得缩短栅长可提高电流增益截止频率和最大震荡截止频率。栅长的缩短使载流子的栅下越渡时间变短，在一定的漏压下，HEMT的横向电场增加，这有利于载流子达到电子饱和速度，使AIGaN/GaN HEMT器件速度加快，电流增益截止频率增加。

然而，随着器件的栅长缩短，可能会影响到器件的直流特性，体现在以下几个方面：阈值电压负漂移、输出电流不饱和、漏势垒降低效应（DIBL）以及跨导降低等。特别是当器件栅长缩短到纳米尺度，将会发生短沟道效应，严重影响期间的电学特性和热稳定性。

因此，在本论文中，我们想要通过仿真器件在不同栅长下的转移特性和输出特性并通过分析山下沟道区域的电势二维分布及器件在不同漏源偏置电压下的导带分布图，分析漏势垒降低效应（DIBL），观察器件的阈值电压随着栅长减小时的变化规律以及器件的跨导随栅长减小的变化规律，并研究出一个合理的方案使得HEMT器件能够在提高电流增益截止频率 以及最大震荡截止频率的同时抑制短沟道效应及漏势垒降低效应（DIBL）的影响。

1.3 课题意义

在对于Ⅲ族氮化物半导体器件的研究中，基于GaN异质结构的异质结场效应管（HEFT）逐渐成为主流。因为该异质结场效应管具有自发和压电效应，能够在未掺杂的GaN异质结构中形成高电子密度及电子迁移率的二维电子气（2DEG），故GaN HEFT器件更名为GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）。GaN HEMT器件具有高迁移率、高载流子面密度、宽禁带、高击穿场强和高电子饱和速率的优势，因此其非常适用于高温、高频、大功率的应用领域。虽然GaN HEMT器件存在着热导率不足的问题，但能够用成本低、工艺成熟的SiC和金刚石衬底弥补，因此GaN HEMT同时具有低成本和高性能的优势，被公认为理想功率开关器件[7]。

对于半导体器件的研究需要耗费大量的时间和周期，且GaN HEMT器件的外延材料较为昂贵，器件制备工艺较为复杂，因此对于器件结构的仿真和实物实验相结合的研究十分有意义。仿真研究可以及时调整器件结构，弥补测试实际器件时受到外界干扰使结果与理论不符，同时仿真与实验结果对比能够分析器件制备中的缺陷、杂质等，为工艺制备提供参考。因此，本实验所运用的研究方法是仿真与实物实验相结合并对比分析的方法。

1 任舰，苏丽娜，李文佳等.短沟道AIGaN/GaN高电子迁移率晶体管的I-V特性研究[J].

淮阴师范学院学报，2018，12；1-4.