AlGaN_GaN HEMT器件结构优化和电学特性仿真

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1、分类号：密级：UDC：编号：硕士学位论文AlGaN/GaNHEMT器件结构优化和电学特性仿真论文作者：006学生类别：全日制专业学位类别：学术硕士领域名称：微电子学与固体电子学指导教师：张明兰职称：副教授DissertationSubmittedtoforMasterDegreeofMicro-electronicsandSolidstateelectronicsTheoptimizationofstructureforAlGaN/GaNHEMTandthesimulationofelectricalpropertyByLiuShaoFa

2、nSupervisor:Prof.ZhangMingLanMay2017I摘要GaN作为第三带半导体材料，具有高电子漂移速度、宽禁带和高击穿电压等优点，可以在高频率、高功率、高温和腐蚀性环境下工作。在自发极化和压电极化的共同作用下，AlGaN/GaN异质结界面会形成高浓度的二维电子气（2DEG：TwodimensionalElectronGas）。这些突出的特点使AlGaN/GaNHEMT(HEMT:HighElectronMobilityTransitor)在无线通信、汽车和航空航天电子、输电和电力电子器件领域具有独特的优势。在微波应用

3、方面，更大的输出功率，更高的工作频率是主流的研究方向；而在电力电子应用领域，器件的击穿电压则是决定其市场竞争力的关键。本论文正是基于上述的目的，开展了两方面的工作优化器件结构：一方面对器件势垒层进行了优化设计与仿真，提高微波HEMT的直流特性和频率特性，另一方面对器件的缓冲层进行了优化设计与仿真，改善电力开关HEMT的关断特性，抑制了开态电流的溢出效应。使用SilvacoATLAS仿真软件研究了势垒层掺杂对器件的I-V特性、转移特性和频率特性的影响。仿真考虑了极化效应模型和迁移率模型（fldmob模型），采用Netwon数值方法对器件直流

4、和交流特性进行计算。得到了栅压为1、0、-1、-2V时器件的I-V特性，漏压为1V时器件的转移特性和1-100GHz时的频率特性。结果表明，势垒层掺杂使器件的直流和频率特性得到全面的提升。研究了带有AlN间隔层的AlGaN/GaNHEMT器件的直流特性仿真，探讨了AlN厚度对器件性能的影响。对直流和交流特性进行了详细的分析。结果表明，插入AlN间隔层提高了AlGaN/GaN界面的能带不连续性，减小了合金散射对沟道电子迁移率的影响，抑制沟道中的2DEG外溢，提高了电子迁移率和电子浓度。AlN层厚度达到2nm时，量子阱深度增加了1.2倍，电子

5、浓度提高了1.6倍，漏电流提升了23%。迁移率变化受粗糙度散射和合金散射影响，当AlN层厚度为0.2nm时，迁移率值最大。略微提升频率特性。研究了在GaN缓冲层插入P型掺杂AlGaN层和GaN层结构的能带分布，I-V特性和转移特性。重点分析了器件在电力电子器件方面高漏电压下的关断能力，通过A结构和B结构有效的降低了器件的压阈值电流。关键词：AlGaN/GaNHEMTsSilvaco直流特性频率特性IIIAbstractGaN,asthethirdsemiconductormaterial,hastheadvantagesofhighele

6、ctrondriftvelocity,widebandgapandhighbreakdownvoltage,andcanworkinhighfrequency,highpower,hightemperatureandcorrosiveenvironment.Underthecombinedactionofspontaneouspolarizationandpiezoelectricpolarization,thehighdensityAlGaN/GaN(2DEG:TwodimensionalElectron)canbeformedatth

7、einterfaceoftheheterojunction.TheseoutstandingfeaturesmakeAlGaN/GaNHEMT(HEMT:HighMobilityTransitor)inwirelesscommunications,automotiveandaerospaceelectronics,powertransmissionandpowerelectronicsdeviceshaveauniqueadvantage.Intheapplicationofmicrowave,thelargeroutputpoweran

8、dhigherworkingfrequencyarethemainresearchdirections.Inthefieldofpowerelectronicsapplications,the