用于毫米波 (mmW) GaN HEMT 器件的基于 TCAD 的協(xié)同設(shè)計(jì)方法

毫米波技術(shù)領(lǐng)域的不斷進(jìn)步因其波長減小和頻帶寬而對無線通信系統(tǒng)做出了貢獻(xiàn)。這使制造商能夠設(shè)計(jì)更小但性能更高的組件。氮化鎵已證明自己在該領(lǐng)域是一種很有前途的半導(dǎo)體，其目標(biāo)應(yīng)用包括高功率放大器、寬帶放大器和5G無線網(wǎng)絡(luò)。

然而，隨著基于GaN HEMT(高電子遷移率晶體管)的器件的推出，這些特性使其適用于各種下一代毫米波電路。GaN 半導(dǎo)體具有寬帶隙、高飽和電子速度和高擊穿電壓，使其成為可用于高功率、高效率和寬工作帶寬電路的可靠半導(dǎo)體材料。

由于 GaN 已被證明是磷化銦和砷化鎵基器件的更好、更有效的替代品，因此關(guān)于毫米波 HEMT 的設(shè)計(jì)和構(gòu)造的可用數(shù)據(jù)不多。這些 HEMT 器件的布局一直是設(shè)計(jì)階段的障礙，以開發(fā)具有更高效率的各種電源系統(tǒng)。

在研究論文 [1] 中，“基于計(jì)算建模的器件設(shè)計(jì)用于改進(jìn) GaN HEMT 的毫米波性能和線性度”，研究人員展示了使用 TCAD 軟件設(shè)計(jì)具有計(jì)算建模的毫米波 GaN HEMT 器件以提高性能和這些設(shè)備的線性度。除此之外，科學(xué)家們還研究了 AlN/GaN HEMT 和 AlGaN/GaN HEMT 以研究非線性行為。

設(shè)計(jì)毫米波 (mmW) GaN HEMT 器件時(shí)的權(quán)衡取舍

據(jù)研究人員稱，現(xiàn)有的工作在射頻功率器件中使用基于 TCAD 的設(shè)計(jì)有限，而它們僅獨(dú)立處理特定參數(shù)以增強(qiáng)直流和擊穿性能。最近的報(bào)告表明，在最大化用于毫米波應(yīng)用的 HEMT 的 RF 品質(zhì)因數(shù)參數(shù)方面的研究有限，同時(shí)還審查了設(shè)計(jì)、性能和非線性權(quán)衡。

所做的工作僅限于大信號分析，但沒有報(bào)告用于毫米波應(yīng)用的 RF HEMT 設(shè)備的小信號建模。這項(xiàng)新研究通過對設(shè)計(jì)參數(shù)的比較分析來研究射頻性能，例如 AlN 和 AlGaN 勢壘的勢壘類型、橫向縮放和接觸電阻。在之前的報(bào)告中，缺少跨導(dǎo)改進(jìn)與其他設(shè)計(jì)方面的相關(guān)性，試圖解決這一差距。

在 A. Soni 和 M. Shrivastava 所做的工作中，本文介紹了射頻 HEMT 設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)策略、工作中使用的計(jì)算框架、開發(fā)的方法和設(shè)計(jì)見解，以了解緩沖層和通道層對毫米波的影響性能，最后討論設(shè)計(jì)參數(shù)。

RF HEMT 器件的設(shè)計(jì)策略

用于測量器件電流可以被柵極調(diào)制的最大頻率的器件截止頻率方程表示對應(yīng)于器件載流子傳輸?shù)目傃舆t。

公式 1：器件截止頻率的表達(dá)式

其中 g m是跨導(dǎo)，g d是輸出電導(dǎo)，R s和 R d是源極和漏極電阻，C gs和 C gd是柵源和柵漏電容。

總延遲由三個(gè)部分組成——內(nèi)在延遲、寄生延遲和外在延遲。每個(gè)延遲分量都會影響器件的頻率性能，這是設(shè)計(jì) RF HEMT 器件時(shí)需要考慮的重要因素。內(nèi)在和外在延遲由器件跨導(dǎo)和電容控制，外在延遲是器件寄生電阻和輸出電導(dǎo)的函數(shù)。為了有效地設(shè)計(jì) RF GaN HEMT 器件，有必要了解這些延遲分量對器件物理參數(shù)和偏置條件的影響。

除了延遲之外，器件的非線性性能也是設(shè)計(jì)方法的一個(gè)關(guān)鍵因素，它受短溝道器件緩沖區(qū)的固有電阻率影響。器件協(xié)同設(shè)計(jì)方法將通過模擬表面陷阱對器件截止頻率的影響來幫助研究物理行為。

用于協(xié)同設(shè)計(jì)的 TCAD 軟件計(jì)算框架

作為協(xié)同設(shè)計(jì)方法的一部分，研究人員選擇研究中使用的器件結(jié)構(gòu)，?？梢钥闯觯?dāng)啟用流體動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)傳輸模型時(shí)，載流子傳輸承認(rèn)載流子和晶格加熱。C 型摻雜引起的緩沖陷阱導(dǎo)致雪崩行為，可以預(yù)測擊穿電壓。為了計(jì)算擊穿電壓，在柵極施加關(guān)態(tài)應(yīng)力時(shí)，漏極電流限制為 1mA/mm。

緩沖層和通道層的構(gòu)建

1. GaN 的設(shè)計(jì)：盡管是高壓器件的關(guān)鍵參數(shù)，但 GaN 緩沖層在設(shè)計(jì) RF HEMT 器件時(shí)并未被視為重要元素，而碳摻雜緩沖層用于大多數(shù)高壓 HEMT 堆棧. 緩沖層有一個(gè)碳摻雜的 GaN 層，它位于通道和 UID 緩沖區(qū)之間。在 C 摻雜中，在較高的漏極偏置電壓下會降低緩沖漏電流，從而提高系統(tǒng)的擊穿電壓。C 型摻雜中的寄生電容與緩沖層厚度是分開的，因?yàn)樯罘胖玫木彌_層對通道的放電或充電沒有作用。

2. 溝道背景摻雜的重要性：在 GaN 緩沖器的高無意摻雜 (UID) 中，寄生導(dǎo)電路徑很可能導(dǎo)致漏源漏電流。當(dāng)通道中存在電流泄漏時(shí)，熱電子往往會擴(kuò)散出通道，這會導(dǎo)致通道限制惡化。這反過來又減少了可用于通道電容充電的總漏極電流，從而導(dǎo)致額外的延遲分量。

不同類型的圖層設(shè)計(jì)

表面態(tài)和非線性：由于 HEMT 中的 2DEG 對表面態(tài)高度敏感，因此應(yīng)用了虛擬門的概念，其中虛擬門的形成歸因于電子的俘獲以減少表面上的凈正電荷。在這里，由此產(chǎn)生的場柵極會產(chǎn)生熱載流子，這些載流子有可能使表面陷阱電離，并可能導(dǎo)致 2DEG 及其周圍的耗盡。

勢壘層設(shè)計(jì)和漏極場引起的 F T漂移：勢壘層的設(shè)計(jì)是各種重要參數(shù)的重要組成部分，例如跨導(dǎo)、柵極泄漏、2DEG 片密度和高頻工作時(shí)的器件線性度。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，器件的射頻性能與柵極長度縮放一起進(jìn)行了研究。

結(jié)論

從上述模型中，使用經(jīng)過精心計(jì)算和基于物理的方法，研究了使用 TCAD 軟件成功實(shí)施設(shè)計(jì)指南。在模擬過程中，觀察到電離表面陷阱在漂移區(qū)上方 GaN 表面上的擴(kuò)散隨著漏極場的增加而增加。

然而，GaN HEMT 在減小器件尺寸的同時(shí)仍然面臨兩個(gè)問題——捕獲效應(yīng)和自熱，這會導(dǎo)致電流崩塌和扭結(jié)效應(yīng)，從而降低器件性能。由于在生長和器件加工過程中引入的晶體缺陷，俘獲效應(yīng)發(fā)生在器件的不同位置。

這就是為什么優(yōu)化材料質(zhì)量和相關(guān)工藝技術(shù)對于最大限度地減少捕獲效應(yīng)很重要。盡管 GaN HEMT 仍然是高功率毫米波應(yīng)用的有吸引力的電子器件，但其魯棒性和可靠性仍在研究中，因?yàn)榘幢壤s放的材料和器件需要展示高穩(wěn)定性、可重復(fù)性和均勻性。