AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的模型研究

AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的模型研究

论文摘要

氮化镓(GaN)是近十几年来迅速发展起来的第三代宽禁带半导体材料之一,其化学性质稳定、耐高温、耐腐蚀,非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件以及蓝光、绿光和紫外光电子器件。所有这些优良的性质,很好的弥补了前两代Si和AsGa等半导体材料本身固有的缺点,从而成为飞速发展的研究前沿。AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMTs),是以AlGaN/GaN异质结材料为基础而制造的GaN基器件。与传统的MESFET器件相比,AlGaN/GaN HEMTs具有高跨导、高饱和电流以及高截止频率的优良特性。另外,实验证明,GaN基HEMT在1000K的高温下仍然保持着良好的直流特性。从而减少甚至取消冷却系统,使系统的体积和重量大大降低,效率大大提高。由于GaN材料的热导率较高、热容量大,特别是它有着较高的击穿电场。这极大地提高了GaN器件的耐压容量、电流密度,使GaN功率器件可以工作在大功率的条件下。随着GaN材料制造工艺的不断改进和制造成本的下降,AlGaN/GaN HEMT器件必将在高温、大功率、高频、光电子、抗辐照等领域取得广泛的应用。虽然人们对GaN基微波功率器件的研究工作已经持续了多年,深度和广度已经达到了前所未有的水平,但是真正商业化的AlGaN/GaN HEMT功率器件仍然尚未问世。这里面有诸多原因。除了可靠性及GaN缺陷密度等问题尚未解决外,当HEMT器件工作于大功率、高温的环境时,会产生明显的“自热效应”。引起附加的功率损失和电流输出能力的下降,进而降低器件的微波性能,甚至引起功能失效。另一方面对于在微波领域有着良好应用前景的AlGaN/GaN HEMT,由于GaN基器件发展历史相对较短,对AlGaN/GaN HEMT的大信号小信号建模理论研究成果较少,还主要沿用MESFET的相关模型。由于HEMT与MESFET的工作原理有所不同,在加上AlGaN/GaN HEMT器件有其自身的特点,所以套用这些模型误差在所难免。因此建立适合AlGaN/GaN HEMT的大小信号模型是目前理论研究需要努力的方向。以上这些问题的研究都是推进AlGaN/GaN HEMT商业化生产进程中十分重要的步骤。本课题围绕以下几个方面展开具体工作:(1)针对HEMT器件的自热效应,提出了一种用于分析AlGaN/GaN HEMT I-V特性的数值计算模型,在算法上转化为迭代求解泊松方程、薛定谔方程和费米分布。分析了自热效应的起因,以及这种效应对二维电子气浓度分布和漏电流的影响。在此过程中引入了一系列与温度和Al含量有关的参数,如导带断续、载流子

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章. 绪论
  • 1.1 研究背景
  • 1.1.1 GaN 材料的兴起
  • 1.1.2 AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管(HEMT)
  • 1.2 国内外相关研究状况及存在的问题
  • 1.2.1 国内外的研究现状
  • 1.2.2 需要解决的问题
  • 1.3 本文主要的研究工作及意义
  • 第二章. 氮化镓材料和 AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管
  • 2.1 氮化镓材料的性质和特点
  • 2.1.1 晶体结构
  • 2.1.2 极化效应
  • 2.2 GaN 晶体薄膜及AlGaN/GaN 异质结构的生长
  • 2.2.1 衬底材料
  • 2.2.2 缓冲层
  • 2.2.3 GaN 晶体的异质外延技术
  • 2.3 AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管
  • 2.3.1 异质结界面势阱和二维电子气的形成
  • 2.3.2 势阱中二维电子气的量子化状态
  • 2.3.3 器件的典型结构
  • 2.3.4 极化电荷
  • 2.3.5 阈值电压
  • 2.3.6 电流-电压特性
  • 2.3.7 漏电导
  • 2.3.8 跨导
  • 2.3.9 截止频率
  • 2.4 本章小结
  • 第三章. AlGaN/GaN HEMT 直流特性的数值模拟
  • 3.1 二维电子气电子浓度分布计算模型
  • 3.1.1 泊松方程与薛定谔方程
  • 3.1.2 温度和 Al 组份含量的影响
  • 3.1.3 模拟结果讨论
  • 3.2 自热效应
  • 3.2.1 自热效应概述
  • 3.2.2 电流模型
  • 3.2.3 模拟结果分析
  • 3.2.4 结论
  • 3.3 跨导
  • 3.3.1 模拟器件
  • 3.3.2 结果与讨论
  • 3.3.3 结论
  • 3.4 本章小结
  • 第四章. AlGaN/GaN HEMT 射频小信号模型分析
  • 4.1 小信号模型
  • 4.2 小信号等效电路分析
  • 4.2.1 非本征电阻值的确定
  • 4.2.2 寄生电感和寄生电容值的确定
  • 4.2.3 本征元件的确定
  • 4.3 一种简单精确的参数提取模型
  • 4.3.1 寄生电容的提取
  • 4.3.2 寄生电阻和电感的提取
  • 4.3.3 本征参数的提取
  • 4.3.4 模型验证
  • 4.3.5 结论
  • 4.4 本章小结
  • 第五章. AlGaN/GaN HEMT 大信号模型分析
  • 5.1 大信号模型
  • 5.2 大信号 I-V 特性模型
  • 5.2.1 几种常见的大信号直流I-V 特性模型
  • 5.2.2 一种改进的大信号I-V 特性模型
  • 5.3 电容特性模型
  • 5.4 本章小结
  • 第六章. 总结
  • 致谢
  • 参考资料
  • 攻读博士学位期间发表的学术论文
  • 攻读博士学位期间参加的科研项目、合作研究及获奖
  • 附录
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