含有InGaN的GaN增强型HEMT与双极型器件研究

摘要

GaN基半导体材料与器件由于具有击穿场强高、电子迁移率高、电子饱和速度大、耐高温、抗辐照等优点,吸引了越来越多的关注。经过几十年的发展,在电子器件方面AlGaN/GaN HEMT结构在高频率、大功率、高电压等方面已经取得了极其出色的结果。为了进一步拓展GaN基材料的独特优势,除了微波功率器件外,应用于功率开关领域的增强型GaN HEMT器件以及双极型GaN器件也开始受到人们的关注。基于此,本文从GaN基材料体系的极化理论入手,利用InGaN材料表现出来的独特极化特性,针对多种含InGaN的新型GaN基增强型HEMT和双极型器件,进行了仿真设计研究。取得的主要研究成果包括:
　　1、首先针对InGaN帽层的AlGaN/GaN HEMT结构,仿真研究了InGaN帽层对AlGaN/GaN异质结能带的调制效应,并对InGaN帽层的In组分和厚度进行了优化,设计出阈值电压高达2.7V的增强型HEMT器件;
　　2、提出了一种InGaN填充的凹槽栅AlGaN/GaN HEMT增强型器件结构,通过仿真研究与凹槽深度优化,设计出阈值电压1.3V、具有更高栅控特性的增强型HEMT器件;
　　3、针对n+-GaN/p-InGaN/n-GaN纵向HBT器件,仿真研究了基区InGaN层In组分对器件特性的影响,发现从发射结到集电结In组分正向缓变的InGaN基区结构具有更高的电流放大能力,同时采用一种缓变的发射结能够显著提高电流放大能力;
　　4、提出了一种2DEG/p-InGaN/2DEG的横向GaN基双极型晶体管,该结构与AlGaN/GaN HEMT结构与工艺的兼容性好,仿真研究证明了该结构的可行性,并分析了发射区2DEG密度、InGaN基区宽度、AlGaN背势垒等因素对器件性能的影响。

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第一章 绪论

1.1 传统 GaN 基 HEMT 器件的研究进展

1.1.1 GaN 及其异质结材料的独特优势

1.1.2 传统 GaN 基异质结的研究进展

1.2 增强型 GaN 器件的研究意义和进展

1.3 GaN 基双极型器件的研究意义和进展

1.4 本文的研究内容和工作安排

第二章 GaN 基材料与器件理论研究

2.1 GaN 基材料体系的极化特性

2.2 仿真软件 Silvaco-ATLAS 概述

2.2.1 漂移扩散模型

2.2.2 迁移率模型

2.2.3 产生复合模型

2.2.4 能带结构模型

2.2.5 界面电荷的定义

2.3 本章小结

第三章 含有 InGaN 的增强型 HEMT 仿真研究

3.1 GaN 基 HEMT 器件的基本参数

3.2 带有 InGaN 帽层的增强型 GaN HEMT 器件仿真

3.2.1 InGaN 帽层结构的原理

3.2.2 InGaN 帽层中 In 组分变化的作用

3.2.3 InGaN 帽层厚度对于器件特性的影响

3.3.1 凹槽型 InGaN/AlGaN/GaN 器件的实现原理

3.3.2 InGaN 凹槽厚度的优化分析

3.4 本章小结

第四章 含有 InGaN 的双极型晶体管

4.1 BJT 器件的工作原理

4.2 GaN/InGaN 型 HBT

4.2.1 本次研究的 GaN/InGaN HBT 的具体结构

4.2.2 发射结组分渐变的影响

4.2.3 基区组分缓变的影响

4.2.4 基区宽度的影响

4.3 横向结构 GaN 双极型晶体管设计

4.3.1 本次仿真的双极型晶体管结构分析

4.3.2 双异质结发射区的电流特性

4.3.3 发射结 Al 组分对器件性能的影响

4.3.4 基区宽度对器件特性的影响

4.4 本章小结

第五章 总结

致谢

参考文献

攻读硕士期间的研究成果和参加的科研项目