GaN HEMT源漏通道区电阻的自热和准饱和效应模型

GaN HEMT在栅极与源极和漏极之间存在一段通道区域,在等效电路模型中通常等效为一电阻,称为源漏通道区电阻R_(D,S)。准确构建GaN HEMT R_(D,S)模型,对于分析GaN HEMT直流和射频特性,构建GaN HEMT大信号模型具有十分重要的意义。本研究给出考虑自热和准饱和效应的R_(D,S)模型。首先由源漏通道区温度T_(CH)与耗散功率P_(diss)的关系,推导出非线性自热效应模型。进一步基于准饱和效应和Trofimenkoff模型,给出源漏通道区电子漂移速度与电场强度的关系表达式,构建非线性R_(D,S)模型。在环境温度Tamb=300~500 K时,源漏通道区二维电子气2DEG面密度n_(S,acc)(T_(CH))和迁移率μ_(acc)(T_(CH))随T_(CH)的升高而下降,这导致低偏置条件下的源漏通道区电阻R_(D0,S0)随T_(CH)呈非线性增长。将本研究和文献报道的R_(D,S)模型与TCAD(Technology Computer Aided Design)仿真数据进行对比,结果显示:本研究与文献报道的漏通道区电阻RD模型的平均相对误差分别为0.32%和1.78%,均方根误差(RMSE)分别为0.039和0.20Ω;RS模型的平均相对误差分别为0.76%和1.73%,RMSE分别为0.023和0.047Ω。与文献报道的实验数据进行对比,结果显示:本研究与文献RD模型的平均相对误差分别为0.91%和1.59%,RMSE分别为0.012和0.015Ω;RS平均相对误差分别为1.22%和2.77%,RMSE分别为0.0015和0.0034Ω。本研究提出的R_(D,S)模型具有更低的平均相对误差和均方根误差,能够更加准确地表征GaN HEMT线性工作区R_(D,S)随漏源电流I_(DS)的变化。可将本模型用于器件的设计优化,也可作为Spice模型用于电路仿真。

一种抑制栅极正负向串扰的GaN HEMT无源驱动电路

GaN器件由于其更快的开关速度,比硅器件更容易发生严重的开关振荡,也更容易受到栅源电压振荡的影响。为了抑制GaN基半桥结构中的串扰,提出了一种抑制GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)栅极正负向串扰的无源钳位驱动电路来抑制栅源电压振荡。采用基本无源元件建立自举驱动回路,并增加三极管以构成从驱动电路到GaN HEMT的低阻抗米勒电流路径,抑制正负向串扰。在LTspice软件下进行电路模拟仿真,并搭建实验平台进行实测验证,结果表明栅源电压的最大正向串扰可降至1.2 V,最大负向串扰可降至1.6 V,漏源电流的正向和负向串扰均降至2 A以下,证明该电路对栅源电压以及漏源电流的振荡均有良好的抑制效果。

双栅GaN HEMT生物传感器仿真研究

GaN HEMT因具有优异的高灵敏度、快速响应特性、电学特性和生物相容性,其在生物传感领域具有广泛的应用潜力。为提升GaN HEMT生物传感器直接检测生物分子的灵敏度,提出了一种双栅结构分析模型,并使用Silvaco TCAD工具研究了其电学特性。从漏极电流、阈值电压和电势方面分析了单栅和双栅器件的结构特性,比较了其灵敏度。研究表明,在特定生物分子(尿酸酶、链霉亲和素、蛋白质和胆固醇氧化酶)的检测中,双栅GaN HEMT生物传感器的灵敏度分别比单栅器件高1.55%,2.18%,1.07%和3.3%。其中,增加空腔长度可以为生物分子与生物功能化层(AlGaN)的相互作用提供更多的面积,从而使传感器的灵敏度增加。因此,双栅和较大空腔的GaN HEMT生物传感器器件更适用于高灵敏度的应用。

非分段GaN HEMT EF2类功率放大器理论研究

目前,增强型氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)的仿真模型存在仿真时间长、复杂度高且收敛性不好等问题。为了解决GaN HEMT器件在电力电子电路中仿真收敛性和准确性差的问题,提出一种非分段的GaN HEMT SPICE模型。使用非分段连续方程对GaN HEMT器件的静态和动态特性进行建模;再对GaN HEMT的输出特性进行仿真,并与Si MOSFET的仿真结果进行对比。仿真结果表明,所提模型的收敛性较好,收敛速度快,有较高的准确性。另外,将此模型应用于EF2类功率放大器中,研究该模型对传输效率的影响。仿真结果进一步表明:该模型具有良好的收敛性;且当开关频率为10~20 MHz,输入功率为75 W时,输出功率可达73 W,传输效率为95%,这也证明了GaN HEMT器件可以提高EF2类功率放大器的传输效率。

AlGaN/GaN HEMT器件高温栅偏置应力后栅极泄漏电流机制分析

AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)的栅特性会受到温度应力和电应力的影响.在高温栅偏置(HTGB)应力下,器件的栅特性会发生退化,如栅极泄漏电流增大.为了研究退化机理,分析了AlGaN/GaN HEMT在栅电压为-2 V时,250℃高温应力作用后的栅极泄漏电流机制.随着HTGB时间的增加,栅极泄漏电流持续增大,受到应力器件在室温下静置后栅极泄漏电流密度恢复约20%.结果表明,在正向偏置范围内,栅极泄漏电流是由热电子发射(TE)引起的.在反向偏置范围内,普尔-弗伦克尔(PF)发射在小电压范围内占主导地位.阈值电压附近的范围由势垒层中的陷阱辅助隧穿(TAT)引起;在大电压范围内,福勒-诺德海姆(FN)隧穿导致栅极发生泄漏.

基于AlGaN/GaN HEMT外差探测器的太赫兹线阵列矢量探测系统

为了研究AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(High-Electron-Mobility Transistor,HEMT)外差探测器应用于太赫兹来波方向(Direction of Arrival,DOA)估计领域的可行性及量化性能指标,基于AlGaN/GaN HEMT 243GHz外差探测器搭建了太赫兹波线阵列矢量探测系统,实现了太赫兹连续波的相位分布和来波方向的测量。该系统的核心器件为准光-波导耦合的太赫兹外差探测器线阵列组件,阵元平均噪声等效功率(Noise-Equivalent-Power,NEP)为-123.89dBm/Hz。通过测试,表明该系统相位解析稳定度优于0.6°,线阵列组件法线(阵列芯片的垂线)方向左右11°以内的太赫兹来波方向的检测误差小于0.25°。讨论了存在误差的原因及可能的解决方案,为后续基于AlGaN/GaN HEMT面阵列的太赫兹相控阵雷达及定向通信系统的研制提供了基础。

AlGaN/GaN HEMT小信号放大电路设计及放大增益预测

采用计算机辅助设计技术(TCAD)对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)器件进行了仿真,并利用Multisim设计了AlGaN/GaN HEMT器件的低频小信号放大电路.由于GaN材料的宽带隙和高载流子迁移率,HEMT器件可以在空间科学应用中取代Si基MOSFET.TCAD的仿真结果通过与测试结果的比较进行了修正.通过Multisim仿真结果与搭建的AlGaN/GaN HEMT共源共栅放大电路的测试结果对放大电路的放大特性进行了验证.以此为基础,利用TCAD模拟改变了结构参数的器件特性并采用改进了结构参数的AlGaN/GaN HEMT设计共源共栅放大电路.仿真结果表明,该放大电路在低频和室温下的电压放大能力可达6 200倍.

基于101.6 mm晶圆35 nm InP HEMT工艺的340 GHz低噪声放大器芯片研制

实现了在101.6 mm InP晶圆上制备35 nm的增强型InP高电子迁移率晶体管。通过InAs复合沟道外延结构设计,使得室温二维电子气迁移率面密度乘积达到4.2×10^(16)/(V·s)。采用了铂钛铂金埋栅工艺技术,典型器件最大跨导达到2900 mS/mm,电流增益截止频率达到460 GHz,最高振荡频率为720 GHz。同时研制出340 GHz低噪声放大器芯片,在310~350 GHz内小信号增益22~27 dB,噪声系数在8 dB以下。建立了340 GHz InP低噪声放大器芯片技术平台,为太赫兹低噪声单片微波集成电路的发展奠定基础。

GaN HEMT栅偏置电压与反向传导电压的解耦合研究

第三代宽禁带氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)的反向传导特性由于受到栅极偏置的控制作用,限制了器件在双向DC/DC变换器等场景中的实用化发展。通过采用源极控制p-GaN区域的结构设计,使得部分异质结导电沟道受到源极控制,实现了反向传导电压与栅极偏置电压的解耦合,有效解决了负栅偏压下器件的反向传导特性退化难题。研究表明,当器件p-GaN层上方的源控金属块和栅极金属块长度比值为1∶1时,有利于实现正向与反向传导性能的最佳折中。在150℃高温下,采用新结构设计的GaN HEMT维持了低开启反向传导能力。双脉冲动态开关测试表明,器件具有快速开关能力。器件制备工艺简单,兼容现有的GaN HEMT工艺流程,有望促进GaN功率半导体器件技术在变换器应用领域的实用化发展。

增强型p⁃GaN栅HEMT器件的抗辐照性能研究

为研究应用于宇航领域增强型GaN HEMT器件的抗辐照性能,制备了导通电流为20 A、击穿电压为345 V的增强型p-GaN栅HEMT器件,并分别研究了器件抗总剂量效应能力与抗单粒子效应能力。实验结果表明,研制的增强型p-GaN栅HEMT器件在辐照剂量率为1.55 rad(Si)/s、累积总剂量为300 krad(Si)的条件下,器件的阈值电压保持不变,同时器件在传能线密度为37.3 MeV/(mg·cm^(2))的离子辐照下,仍然实现了大于300 V的击穿电压。表明研制的增强型p-GaN栅HEMT器件具有良好的抗辐照能力。

AlN/β-Ga_(2)O_(3)HEMT直流特性仿真

本文利用器件仿真软件对AlN/β-Ga_(2)O_(3)高电子迁移率晶体管(HEMT)器件的直流特性进行研究。由于AlN具有很强的极化效应,在AlN/β-Ga_(2)O_(3)异质结界面处产生高浓度二维电子气(2DEG),使AlN/β-Ga_(2)O_(3)异质结基HEMT具有更加优越的器件性能。理论计算得到AlN/β-Ga_(2)O_(3)异质结界面处产生的面电荷密度为2.75×10^(13) cm^(-2)。通过分析器件的能带结构、沟道电子浓度分布,研究AlN势垒层厚度、栅极长度、栅漏间距,以及金属功函数等参数对器件转移特性和输出特性的影响。结果表明:随着AlN势垒层厚度的增大,阈值电压减小,最大跨导减小,沟道电子浓度增大使饱和漏电流增大;随着栅极长度缩短,跨导增大,当栅极长度缩短至0.1μm时,器件出现了短沟道效应,并且随着栅极长度的缩短,栅下沟道区电子浓度增大,而电子速度基本不变,导致饱和漏电流增大,导通电阻减小,并且器件的饱和特性变差;随着栅漏间距的增大,跨导增大,沟道区电子浓度不变,而电子速度略有增加,导致饱和漏电流增大;肖特基栅金属功函数的增加会增大阈值电压,不会改变器件跨导,沟道电子浓度减小导致饱和漏电流减小。上述结论为后面的器件的优化改进提供了理论依据。

电流增益截止频率为441 GHz的InGaAs/InAlAs InP HEMT

本文设计并制作了fT>400 GHz的In_(0.53)Ga_(0.47)As/In_(0.52)Al_(0.48)As铟磷高电子迁移率晶体管(InP HEMT)。采用窄栅槽技术优化了寄生电阻。器件栅长为54.4 nm,栅宽为2×50μm。最大漏极电流IDS.max为957 mA/mm,最大跨导gm.max为1265 mS/mm。即使在相对较小的VDS=0.7 V下,电流增益截止频率fT达到了441 GHz,最大振荡频率fmax达到了299 GHz。该器件可应用于太赫兹单片集成放大器和其他电路中。

具有低噪声及高线性度的高性能MOCVD-SiN_(x)/AlN/GaN毫米波MIS-HEMTs

文章在超薄势垒AlN/GaN异质结构上采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)原位生长SiN_(x)栅介质,成功制备了高性能的SiN_(x)/AlN/GaN金属-绝缘体-半导体高电子迁移率晶体管(MIS-HEMTs)。深能级瞬态谱(DLTS)技术测试SiN_(x)/AlN的界面信息,显示其缺陷能级深度为0.236 eV,俘获截面为3.06×10^(-19)cm^(-2),提取的界面态密度为10^(10)~10^(12)cm^(-2)eV^(-1),表明MOCVD原位生长的SiN_(x)可以有效降低界面态。同时器件表现出优越的直流、小信号和噪声性能。栅长为0.15μm的器件在2 V的栅极电压(Vgs)下具有2.2 A/mm的最大饱和输出电流,峰值跨导为506 mS/mm,最大电流截止频率(fT)和最大功率截止频率(fMAX)分别达到了65 GHz和123 GHz,40 GHz下的最小噪声系数(NFmin)为1.07 dB,增益为9.93 dB。Vds=6 V时对器件进行双音测试,器件的三阶交调输出功率(OIP3)为32.6 dBm,OIP3/Pdc达到11.2 dB。得益于高质量的SiN_(x)/AlN界面,SiN_(x)/AlN/GaN MISHEMT显示出了卓越的低噪声及高线性度,在毫米波领域具有一定的应用潜力。

Pd/Ga_(2)O_(3)/AlGaN/GaN HEMT基氢气传感器研究

氢气易燃易爆,因此需要海量快速响应的氢气传感器对加氢站、运输车及氢能源汽车等氢能源各个环节进行预警预报。本文研究了基于贵金属钯(Pd)为栅极的高速二维电子气晶体管(HEMT)型氢气传感器,金属Pd栅极为敏感电极,Ti/Al/Ti/Au为源漏极。结果表明:该晶体管开关比为3.58×10^(7)。实验研究了不同厚度Ga_(2)O_(3)插入层对氢气响应特性的影响规律。随着Ga_(2)O_(3)插入层的厚度增大,传感器的饱和体积分数明显增大,从1×10^(-3)提高到7×10^(-3)。对于Ga_(2)O_(3)插入层厚度为10 nm的器件,其综合性能最好,饱和浓度为5×10^(-3),且具有很高的响应度,1×10^(-3)时的响应度为4300%。特别地,其响应速度非常快,最快可以2 s内完成氢气检测。

AlN/β-Ga_(2)O_(3)HEMT频率特性仿真研究

器件的频率特性影响较为复杂,本文利用Sentaurus TCAD研究了AlN势垒层厚度、栅长、栅漏间距和功函数对AlN/β-Ga_(2)O_(3)高电子迁移率晶体管(HEMT)频率特性的影响,得到以下结论:随着AlN势垒层厚度从10 nm增加到25 nm,截止频率(f_(T))和最高振荡频率(f_(max))分别增加了18和17 GHz,栅电容减小是f_(T)增加的主要原因,同时研究表明势垒层厚度减小有利于增强栅极对沟道电子的控制。栅长从0.9μm减小到0.1μm,f_(T)和f_(max)分别增加了84和98 GHz,其对频率特性的影响远远超过了势垒层厚度;栅长小于0.1μm时,发生短沟道效应。栅漏间距增大时,f_(T)微弱减小,在源电阻和f_(T)共同减小作用下,器件仅在栅源电压(V_(GS))大于-1.2 V时,f_(max)与f_(T)的变化趋势相同。功函数几乎不会影响器件的f_(T)和f_(max),但是功函数的增加改善了器件的夹断特性。本文研究表明,在栅长缩短的同时,增加AlN势垒层厚度、栅漏间距和功函数可以在提高频率特性的同时改善器件的夹断特性,对AlN/β-Ga_(2)O_(3) HEMT器件的设计有一定的指导意义。

增强型Cascode结构GaN HEMT器件中子辐照效应研究

为探究增强型共源共栅(Cascode)结构GaN HEMT器件的中子辐照效应及机理,首先利用归一化能量为1 MeV、注量为1×10^(14) n/cm^(2)的中子源开展辐照效应试验,并对辐照前/后器件的电学特性进行测试,结果表明,经过中子辐照后,器件的阈值电压发生明显的负向漂移,且跨导峰值减小。后续又分别对器件中级联的增强型Si MOSFET和耗尽型GaN HEMT开展Geant4能量沉积仿真和TCAD辐照损伤仿真,结果表明,增强型Si MOSFET的能损和电学性能退化较为严重。其原因是:中子辐照对器件造成位移损伤,且产生的次级重核对器件造成电离损伤,引起Si/SiO_(2)交界处电场强度上升及内部载流子浓度降低,从而导致阈值电压负漂及饱和漏极电流下降。研究结果可为增强型Cascode结构GaN HEMT器件在辐射环境下的应用提供理论参考。

一种本征端口开放非线性模式可调的GaN HEMT模型

由于GaN HEMT器件工作电压高、动态范围大且具有较强的非线性特征,芯片设计指标又在不断提高,高精度非线性模型成为设计成功的基础,而定量的非线性产物来源分析又是工艺改进和设计优化的重要依据。因此本文在传统模型架构基础之上,引入关键模型参数压控缩放函数,在大动态范围下取得了较高模型精度,同时提出一种本征端口开放、非线性模式可调的模型架构,使得非线性产物来源定量分析成为可能。

基于自建测试平台的GaN基HEMT器件陷阱表征

陷阱效应是影响GaN基HEMT器件性能的主要因素之一。为了提高陷阱表征的精度和时间分辨率,采用瞬态电压法并搭建了专用的测试平台对陷阱进行表征,抑制了电压漂移现象,将时间分辨率从毫秒级提升至微秒级,扩大了陷阱的表征范围,同时基于贝叶斯反卷积算法提取陷阱的时间常数等信息。基于这种方法研究了GaN基HEMT中陷阱在不同电压和温度下的捕获行为,表征其时间常数和激活能等信息。实验结果表明,该器件中存在4种不同类型的陷阱,除了先前已经在B1505上证明的激活能分别为0.058、0.041eV的陷阱DP_(2)和DP_(3),本文还发现了位于微秒级的新陷阱DP_(1),激活能为0.063eV。本文通过搭建测试平台填补了微秒级陷阱表征的空缺,为陷阱的准确、快速表征提供了极大便利。

具有微型倾斜栅场板的高频AlGaN/GaN HEMT器件结构研究

较小的器件尺寸可以帮助GaN基HEMT实现更高的频率特性,但会使器件内部电场集聚,引起击穿电压降低,严重限制器件的高频功率特性。为了解决上述问题,采用微型倾斜栅场板,可以在保持频率特性的情况下提升器件的击穿电压。通过对具有不同关键参数(既倾斜角度)的AlGaN/GaN HEMT进行仿真分析,系统研究不同倾斜角度对器件特性的影响。研究发现击穿电压(V_(BK))随着倾斜角度的减小而增大;电流截止频率(f_(T))和最大振荡频率(f_(max))均随着倾斜角度的减小而降低。JFOM(JFOM=f_(T)·V_(BK))随着倾斜角度的减小先增大后降低,具有26.6°倾斜角度的器件的JFOM最大,达到了11.13THz V。通过大信号仿真,发现具有最优倾斜角度的器件工作在深AB类状态时,器件的最大增益、饱和输出功率密度、功率附加效率(PAE)分别为12.90dB、5.62W/mm、52.56%。

GaN HEMT热特性的反射热成像研究

GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)已在电力电子的诸多领域得到广泛应用,但需要解决高功率密度带来的热瓶颈问题。反射热成像是一种具有高空间分辨率的全场温度成像技术,适用于捕捉HEMT的运行温度,从而制定合适的热管理策略。利用反射热成像系统对6种GaN HEMT的场板和漏极温度分布进行了测试,实验与仿真结果偏差在6%以内。通过热阻分析比较了不同衬底厚度和外延设计对器件热特性的影响,衬底热阻占总热阻的比例超过40%,将衬底厚度从100μm减薄至60μm,热阻降低8.1%,衬底减薄对于热阻的降低影响显著程度高于外延设计变更。上述结果凸显了反射热成像方法用于指导器件热优化的重要性。