AlGaN/GaN HEMT器件的新型复合场板结构设计

摘要

第三代宽禁带半导体材料—氮化镓(GaN)由于具有优异的物理、化学和电学特性，因而受到科研人员的极大关注，其非常适合于制作高压、高频、高功率器件，故而在微波功率领域有着极大的应用前景。虽然近年来国内外科研团队在AlGaN/GaN HEMT器件的研制上取得了长足的进步，但仍未完全发挥出氮化镓材料的全部性能优势，另外在器件的设计上也需要做进一步的优化，因此本文研究的重点是如何改善AlGaN/GaN HEMT器件的击穿特性，以及避免器件频率特性的衰退。
　　在此目标下，通过深入了解AlGaN/GaN异质结的极化效应、二维电子气(2DEG)、电流崩塌现象、钝化技术、场板技术等相关理论知识，并借鉴以往其他科研团队对于AlGaN/GaN HEMT器件场板结构的设计经验，利用Silvaco TCAD软件下的ATLAS二维数值仿真平台，设计并优化了具有不同场板结构的AlGaN/GaN HEMT器件。
　　通过对不同结构AlGaN/GaN HEMT器件相关电学特性的仿真，发现传统无场板结构器件极易在栅极靠近漏端一侧发生提前击穿，限制了氮化镓材料性能优势的发挥。Γ型栅场板结构的引入能优化AlGaN/GaN HEMT器件内部的电场分布，可以改善器件的击穿特性。双层的台阶栅场板结构会在台阶拐角处产生一个新的电场峰值，可进一步优化AlGaN/GaN HEMT器件内部电场分布，但同时也因较大的栅漏寄生电容造成器件频率特性的大幅度衰退。在栅场板有效长度相等的情况下，浮空场板结构可产生较小的寄生电容，但对器件击穿特性的改善效果并不理想。为了兼顾器件击穿特性和频率特性，提出了台阶浮空复合型栅场板结构AlGaN/GaN HEMT器件设计方案，并对其相关结构参数进行优化，使其在击穿特性、频率特性上都达到了较为满意的结果。

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第一章 绪论

1.1氮化镓（GaN）材料在微波功率领域的应用

1.2 AlGaN/GaN HEMT器件场板结构的研究现状

1.3本文的主要工作安排

第二章 AlGaN/GaN异质结与二维电子气（2DEG）

2.1 AlGaN/GaN异质结中的极化效应

2.2 AlGaN/GaN异质结中的二维电子气(2DEG)

第三章 电流崩塌现象及其抑制方法

3.1AlGaN/GaN HEMT器件中的电流崩塌现象

3.2电流崩塌现象的模型解释

3.3抑制电流崩塌现象的方法

第四章AlGaN/GaN HEMT器件的Silvaco-ATLAS仿真

4.1Silvaco TCAD软件下的ATLAS仿真平台

4.2 Silvaco-ATLAS软件中的基本方程

4.3 Silvaco-ATLAS软件中的基本物理模型

4.4Silvaco-ATLAS软件对AlGaN/GaN HEMT器件研究方法

第五章Γ型栅场板结构的AlGaN/GaN HEMT器件

5.1AlGaN/GaN HEMT器件仿真的基本结构

5.2Γ型栅场板结构的引入

5.3Γ型栅场板对器件内部电子浓度分布的影响

5.4Γ型栅场板对器件内部电势分布的影响

5.5Γ型栅场板结构相关参数的优化

5.6源漏偏置电压VDS对器件内部电势(场)分布的影响

5.7本章小结

第六章台阶栅场板结构的AlGaN/GaN HEMT器件

6.1台阶栅场板结构的引入

6.2台阶栅场板对器件内部电势(场)分布的影响

6.3台阶栅场板结构相关参数的优化

6.4源漏偏置电压VDS对器件内部电场分布的影响

6.5AlGaN/GaN HEMT器件的电学特性

6.6本章小结

第七章浮空栅场板结构的AlGaN/GaN HEMT器件

7.1栅浮空场板结构的引入

7.2不同场板结构对器件内部电势(场)分布的影响

7.3不同场板结构AlGaN/GaN HEMT器件的频率特性

7.4浮空栅场板结构相关参数的优化

7.5源漏偏置电压VDS对器件内部电场分布的影响

7.6本章小节

第八章台阶浮空复合型栅场板结构的AlGaN/GaN HEMT器件

8.1台阶浮空复合型栅场板结构的引入

8.2不同场板结构对器件内部电势(场)分布的影响

8.3不同场板结构AlGaN/GaN HEMT器件的频率特性

8.4台阶浮空复合型栅场板结构相关参数的优化

8.5源漏偏置电压VDS对器件内部电场分布的影响

8.6台阶浮空复合型栅场板结构AlGaN/GaN HEMT器件频率特性

8.7本章小结

第九章 总结与展望

参考文献

致谢

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