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AlGaN/GaN HEMT(铝镓氮/氮化镓异质结高电子迁移率场效应晶体管)器件属于继硅和砷化镓之后的第三代半导体器件,因氮化镓材料的优良特性(宽禁带、高电子饱和速度和高临界击穿电场等),而具有功率密度大、工作效率高、耐高温等特点,在微波功率放大器领域有着广泛的应用前景。由于GaN基HEMT器件通常工作在高功率条件下,器件热效应变得非常严重,因而对器件特性的影响无法忽略。目前能够模拟热效应的分析工具主要是器件模拟仿真工具,由于这些系统的仿真量大、模拟速度慢,无法应用到电路设计中,而能够实用化的可用于电路级别的考虑热效应的器件模型还不多,商用化模型还未见报道。因此发展该类模型对于GaN基高功率器件具有非常重要的意义。但由于器件沟道热效应随外加栅、漏电压变化,特别是受漏电流的影响,而产生的热效应反过来又影响了漏电流,这往往导致存在一个隐函数的漏电流公式。因此考虑热效应的器件建模工作存在很多问题和挑战。
本文主要研究了考虑沟道热效应的AlGaN/GaN HEMT器件模型。首先比较分析了目前常用的几种静态器件模型并加以讨论,在综合考虑模型计算的简洁性,和模型具有一定物理含义的基础上,选取基于Angelov模型发展了考虑沟道热效应的非线性模型。通过引入热阻概念,提出了较为完整的建模方案并基于Angelov模型加以改进。通过北大工艺线流片制备出AlGaN/GaN HEMT器件,并利用HP4156B系统对器件Ⅰ-Ⅴ特性进行了测试,得到了室温、35摄氏度、50摄氏度等各环境温度条件下的电流电压数据。之后进行大量的反向参数提取,人工辅助调整以及拟合等工作,确定出部分拟合参数,然后引入含沟道温度的函数,模型可以提取出等效的沟道温度,该沟道温度随漏、栅电压而变化。最后通过测试数据模拟,该模型计算结果和实测数据吻合得很好。同时,为了进一步验证本模型提取热效应的合理性,本文采用ISE软件深入分析了制备出的器件内各种物理参数,并与模型提取的热效应相比较,发现模型提取的温度参数与器件内电场和电流密度存在着直接的依赖关系,因此该温度参数具有一定的物理意义,可用于表征器件内的热效应影响。
本文的器件测量方案实用并且可行,模型精度理想,能够真实的模拟出包括热效应在内的器件工作特性。并且对于HFET器件也有一定的通用性。