增强型p--GaN HEMT器件的应力模型及仿真分析

摘要

作为第三代半导体器件的首要代表,GaN(氮化镓)功率器件由于其优越的材料特性,非常适合应用在高温、高压、大功率的场合.由于极化效应产生的二维电子气(2DEG)致使器件沟道在不加偏压的情况下处于导通状态,所以GaN基高速电子迁移率晶体管(HEMT)通常都是耗尽型的.而实际电路中的噪声带来的误启动和需要额外负压关断导电沟道带来的额外功耗,推动耗尽型器件向增强型器件的转化.目前,存在诸多因素制约p-GaN HEMT耗尽型器件的大规模推广应用,应力影响就是其中之一.然而关于应力对p-GaN HMET器件的电学特性影响的系统研究还未见报道.针对这一问题,本论文从两个方面展开研究,一方面,从理论上研究应力对p-GaN HEMT增强型器件电学特性参数的影响机理,并建立器件的应力模型;另一方面,从仿真的角度对理论模型加以验证,并在此基础上研究应力对器件可靠性的影响.主要的研究工作包括以下几个方面:　　首先,基于能带结构的仿真图推导了器件阈值电压、沟道电子浓度与势垒层双轴应变和应力弛豫度的关系,建立p-GaN增强型HEMT器件的应力模型.借助Silvaco仿真软件对栅极肖特基接触的p-GaN HEMT器件的电学特性进行了研究,分析了p-GaN盖帽层掺杂浓度,栅极金属功函数,GaN缓冲层陷阱浓度对器件直流电学性能的影响.仿真结果表明,随着p-GaN层掺杂浓度的提升,异质结处的导带会上移,可以获得更高的阈值电压.随着栅极功函数的提升,转移特性曲线会左移,阈值电压有减小的趋势.随着GaN层受主陷阱浓度的增加,沟道的电子更容易隧穿进入AlGaN势垒层,导致沟道电子浓度减少,降低漏极饱和电流.　　其次,研究了对势垒层施加外部双轴应变或势垒层处于应力弛豫状态时对器件电学特性的影响.仿真结果表明,对势垒层施加双轴应变ε从-1变化到1(%)时,ε每增加1%阈值电压可以增加0.145V;漏极饱和电流可以增加0.075A;击穿电压降低9.2V.接着在固定AlGaN势垒层中Al组分的前提下,调节势垒层应力弛豫度从0.2向0.4变化时,阈值电压会降低0.075V;漏极饱和电流下降0.06A;击穿电压可以提升8.9V.通过对漏极侧栅极边缘引入局部双轴应变的方式,可以在几乎不影响器件的其他直流特性的前提下,将击穿电压802V提升至820V.　　最后,在应力模型的基础上研究了由于逆压电效应或钝化层导致的势垒层非均匀应变对器件电学特性的影响.研究表明Region-G(栅极部分)的双轴应变对器件的阈值电压和漏极饱和电流影响最大,当双轴应变ε从-1(%)变化到1(%)时,阈值电压可以提升8%,漏极饱和电流可以提升5%,而Region-GD(栅漏部分)对器件的击穿电压影响最大,当双轴应变ε从-1(%)变化到1(%)时,击穿电压会降低2%.接着分析了栅极欧姆接触器件的直流电学特性受应变的影响.仿真结果表明通过对势垒层施加双轴应变可以获得阈值电压,漏极饱和电流的提升,但是也会造成击穿电压的降低.

目录

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.2.1 增强型p-GaN HEMT的仿真研究

1.2.2 GaN基HEMT器件的应力特性研究

1.3 本论文的研究内容及安排

2 GaN基HEMT器件的物理基础

2.1.1 GaN材料的晶格结构

2.1.2 GaN材料的极化效应

2.2 AlGaN/GaN异质结及其能带结构

2.3 二维电子气浓度推导

2.4 p-GaN栅极结构的增强型HEMT的阈值电压推导

2.5 p-GaN栅极结构的增强型HEMT的应力模型

2.6 本章小结

3 p-GaN HEMT器件的仿真模型

3.1 Silvaco-Atlas 仿真软件介绍

3.2 仿真模型建立

3.2.1 器件结构的定义

3.2.2 掺杂和陷阱的设置

3.2.3 材料参数的设定

3.2.4 物理模型的定义

3.3 仿真模型求解

3.3.1 p-GaN层掺杂浓度对器件性能的影响

3.3.2 栅极功函数对器件性能的影响

3.3.3 GaN缓冲层陷阱浓度对器件性能的影响

3.4 本章小结

4 p-GaN HEMT 的应力仿真及分析

4.1 应力对器件电学特性的影响

4.1.1 势垒层双轴应变对器件性能的影响

4.1.2 势垒层应力弛豫对器件性能的影响

4.2 势垒层局部应变的耐压性能分析

4.3 本章小结

5 应力模型在非均匀应变场合以及欧姆接触器件中的应用

5.1 势垒层非均匀应变对器件电学特性的影响

5.1.1 Region-GS应变对器件电学特性的影响

5.1.2 Region-GD应变对器件电学特性的影响

5.1.3 Region-G应变对器件电学特性的影响

5.1.4 AlGaN势垒层三个区域应变对比分析

5.2 应力对栅极欧姆接触器件性能的影响

5.3 本章小结

6 总结与展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

C. 学位论文数据集

致谢