AlGaN/GaN HEMT器件模型与热效应研究

摘要

GaN作为第三代半导体材料，具有禁带宽度大、击穿场强高、热导率高以及电子饱和速度高等特点，广泛应用于高温、高频和大功率等领域。目前国内外已对AlGaN/GaN HEMT器件在高温大功率领域的潜能进行了深入的发掘，但器件高温性能退化原因尚未明朗。在此背景下，本论文通过变温测试和三维有限元仿真的方法对器件性能退化进行了研究。
　　首先，本文介绍了GaN材料的优势并阐述了AlGaN/GaN HEMT器件的工作原理，同时对器件展开变温测试分析。研究表明，随温度从25℃上升至200℃的过程中，器件最大输出饱和电流降幅为17％，最大跨导降幅达26.7%。对器件欧姆接触变温测试的结果表明，器件源漏欧姆接触电阻并未随温度的升高而明显退化，进一步分析认为，器件2DEG迁移率随温度的升高而下降，是导致器件性能高温退化的主要原因。
　　其次，本文测试了AlGaN/GaN HEMT器件栅极肖特基接触在25℃~200℃温度范围内的电流电压(I-V)特性并研究了其高温退化原因。基于对多种电流输运机制的分析，利用分离电流分量法，研究发现，由多步遂穿机制引起的遂穿电流在肖特基接触正向电流中起主导作用，同时基于遂穿位错模型，提取到器件位错密度为1.88×107cm-2；肖特基接触反向泄漏电流可用Frenkel-Poole模型描述，分析发现AlGaN势垒层导带下0.27eV处存在陷阱能级，可辅助电子遂穿。通过电容电压(C-V)测试的方法，提取了异质结界面态密度，对器件异质结界面处的陷阱效应进行了研究，结果表明，随温度的升高，器件异质结处并未产生新陷阱，但原有陷阱的活性得到增强，俘获更多电子，致使器件特性退化。
　　最后，本文对多栅指大栅宽AlGaN/GaN HEMT器件进行了三维热仿真分析，研究了器件结构参数对沟道温度的影响，并提出了热优化设计流程。研究表明，衬底应选用热导率较高的SiC材料，器件沟道温度随衬底厚度、栅指个数的增大近似线性增大，随栅指间距的增大近似二阶减小。本文通过对变栅指间距AlGaN/GaN HEMT结构的仿真分析，得到各栅指间的最优间距。

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第一章 绪论

1.1 GaN材料的优势及研究意义

1.2AlGaN/GaN HEMT器件热效应研究进展

1.3主要内容及安排

第二章AlGaN/GaN HEMT器件工作原理及电学特性

2.1AlGaN/GaN HEMT器件工作原理

2.2 常温下HEMT器件基本电学特性

2.3 HEMT器件变温直流特性研究

2.4 本章小结

第三章AlGaN/GaN HEMT栅极肖特基接触高温退化分析

3.1 栅极肖特基接触原理

3.2 栅极肖特基接触变温特性及高温退化分析

3.3 肖特基二极管变温C-V特性研究及界面态陷阱分析

3.4 本章小结

第四章AlGaN/GaN HEMT器件的三维热优化仿真分析

4.1 ANSYS有限元热分析方法

4.2均匀栅指间距AlGaN/GaN HEMT三维有限元热仿真

4.3 变栅指间距结构HEMT器件热优化设计

4.4本章小结

第五章 结论

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果