GaN基FinFET器件结构及特性研究

摘要

GaN基HEMT器件由于其高击穿电场，高饱和速度等优越性能，在高频高温大功率器件应用方面有着广泛的前景。为了满足电路集成化程度的提高，当器件尺寸缩小至纳米量级时，短沟道效应会严重影响器件性能。鳍式场效应晶体管（FinFET）具有三维的立体栅电极结构，栅可以从沟道的三个方向控制二维电子气（2DEG），栅控能力的加强，使得阈值电压正向移动，可以实现增强型器件，同时有效的抑制了短沟道效应。双沟道AlGaN/GaN HEMT器件具有很强的载流子限域性，有助于提高载流子的浓度，得到可观的大电流，FinFET与双沟道结合可以进一步提高器件特性。
　　本研究主要内容包括：⑴通过Sentaurus集成化仿真平台模拟了AlGaN/GaN FinFET器件结构，并对比分析了Fin宽、侧栅高度、栅长以及AlGaN势垒层中Al组分的变化对器件特性的影响。在改变Fin宽的情况下，当其由700nm减小至20nm的过程中，器件的阈值电压从-2.78V逐步正移至0.5V，且正移幅度逐渐变大；在Fin宽为60nm时，阈值电压为临界点，其值为0.07V，此时器件已经实现了增强型；同时跨导峰值也逐步增加，从160mS/mm增加至360mS/mm。在改变侧栅高度的情况下，其从0nm增加至110nm的过程中，侧栅高度存在一个临界点40nm。在高度小于40nm时，随着其增加阈值电压从-2.49V大幅度正移至-0.02V；当高度大于40nm后，阈值电压几乎不变。随着侧栅高度增加至110nm，器件的跨导峰值也由159mS/mm逐步增大至302mS/mm。⑵对实验所做的AlGaN/GaN FinFET器件的直流特性进行了分析。常规HEMT器件阈值电压为-3.75V；Fin宽从160nm减小至100nm时，阈值电压相应的从-1.45V逐步正移至-0.8V。说明沟道宽度的减小有效的提高了栅电极对沟道载流子的控制能力。实验结论与模拟仿真得到的结论较为符合，证实了所做的模拟工作可以为实验提供较好的参考价值。⑶提出了AlGaN/GaN双沟道结合FinFET的器件结构，对比分析了单、双沟道FinFET器件特性的差异。单、双沟道FinFET器件阈值电压分别约为0.25V和-1.8V，最大漏极电流分别为650mA/mm和982mA/mm，跨导峰值分别为302mS/mm和273mS/mm，且双沟道FinFET器件的跨导在很宽的栅压下维持了较高的值，从开启到关断状态，栅极电压的工作范围变大，使得器件工作的线性度得以提高。

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第一章 绪论

1.1 GaN基材料特性及其发展

1.2 GaN基异质结材料及器件的发展状况

1.3 本论文的研究内容和安排

第二章 GaN HEMT器件基本原理

2.1 HEMT器件的工作原理

2.2 HEMT器件工艺

2.3 FinFET的关键工艺

2.4 TCAD仿真工具与物理模型

2.5本章小结

第三章 FinFET器件特性分析

3.1 FinFET器件实验特性分析

3.2 Fin宽对FinFET器件直流特性的影响

3.3 侧栅高度对FinFET器件直流特性的影响

3.4 栅长对FinFET器件直流特性的影响

3.5 Al组分对FinFET器件直流特性的影响

3.6本章小结

第四章 新型双沟道FinFET器件的直流特性

4.1常规单双沟道HEMT器件的直流特性

4.2双沟道FinFET的器件特性

4.3本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

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