AlGaN/GaN HEMT器件的特性仿真研究

摘要

宽禁带半导体材料氮化镓(GaN)是近年来迅速发展起来的第三代新型半导体材料。与第一、二代半导体材料相比,GaN基器件耐高温、高压、高频、大功率等独特特性彰显了它在电子领域所具有的应用潜力。然而,GaN基HEMT器件的击穿电压和电流崩塌仍然是影响其输出功率升高的重要因素。本文基于 Silvaco TCAD-ATLAS平台,着重对AlGaN/GaN HEMT器件的基本特性进行研究。
　　论文首先对 GaN材料的特性和 AlGaN/GaN异质结器件进行了分析介绍,并对AlGaN/GaN HEMT器件的当前研究状况进行了概述。其次,分析了AlGaN/GaN HEMT器件的基本工作原理,指出极化效应是产生2DEG的主要动力源,并分别从Al组分和势垒层厚度两方面分析了对2DEG浓度的影响,模拟了自热效应对器件输出电流的影响。再次,着重从虚栅模型、背栅效应模型和应力模型分别解析了AlGaN/GaN HEMT器件电流崩塌的机理,以及提出了采用表面钝化技术、引入场板结构和改善GaN缓冲层等措施可以减小电流崩塌的方法。最后,设计了栅浮空复合场板结构AlGaN/GaN HEMT,并对其特性进行了模拟研究。
　　通过对结果分析总结出了浮空复合场板结构的优化规律,而且在相同有效长度的场板前提下,证明了栅浮空复合场板HEMT器件能够有效地提高击穿电压,并改善器件的频率特性。

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第一章 绪论

1.1 GaN材料的特性及其优势

1.2 AlGaN/GaN 异质结的特性

1.3 AlGaN/GaN HEMT器件目前的研究水平

1.4 本论文的主要任务及内容安排

第二章 AlGaN/GaN HEMT器件的基本原理

2.1 AlGaN/GaN HEMT器件的基本结构

2.2 AlGaN/GaN HEMT的极化效应

2.3 二维电子气及其产生机理

2.4 AlGaN/GaN HEMT器件的直流特性与频率特性

2.5 自热效应

2.6 本章小结

第三章 AlGaN/GaN HEMT器件中电流崩塌效应的研究

3.1 电流崩塌现象

3.2 电流崩塌效应模型和物理机理

3.3 抑制电流崩塌现象的方法

3.4 本章小结

第四章 场板结构AlGaN/GaN HEMT器件的特性模拟分析

4.1 Silvaco TCAD-ATLAS二维器件仿真平台

4.2 栅浮空复合型场板结构AlGaN/GaN HEMT的设计

4.3 浮空复合型场板结构AlGaN/GaN HEMT击穿特性研究

4.4 浮空复合型场板结构AlGaN/GaN HEMT优化设计

4.5 浮空复合型场板结构AlGaN/GaN HEMT的特性分析

4.6 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献