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.

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.

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。

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。

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。

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。

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。

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。

具有AlN钝化层的AlGaN/GaN HEMT热性能

在现代电力电子和射频应用领域,AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMTs)因其卓越的电性能和高功率密度而备受关注。然而,随着这些应用对功率密度的要求日益增长,AlGaN/GaN HEMT器件的热管理问题逐渐凸显,成为限制器件性能进一步提升的关键因素,尤其是在高功率条件下,自热效应会导致器件结温升高,从而影响器件的可靠性和寿命。因此,开发新的结构以优化AlGaN/GaN HEMT的热性能,对于推动这一技术的商业化应用具有重要意义。为提高AlGaN/GaN HEMT的热性能,描述了具有AlN/SiN钝化层的AlGaN/GaN HEMT器件的自热效应,使用半导体器件模拟工具TCAD进行模拟。由于在器件顶部引入了额外的AlN钝化层,因此比传统的只有SiN钝化的器件表现出更优异的热性能。讨论了不同的AlN厚度(0~10μm)对GaN HEMT性能的影响,结果表明,AlN厚度为5μm的器件表现出较好的性能。提出的AlN/SiN堆叠钝化HEMT晶格温度为477 K,而传统的SiN钝化HEMT晶格温度为578 K。并且分别对比了具有AlN/SiN钝化层的AlGaN/GaN HEMT器件与传统AlGaN/GaN HEMT器件的输出特性曲线、转移特性曲线、瞬态漏电流响应曲线以及增益-频率特性曲线。

基于阶跃式匹配结构与谐波控制技术高效宽带GaN HEMT射频功率放大器设计

针对射频功率放大器存在的效率及带宽问题,文中设计了一款高效宽带GaN HEMT功率放大器(power amplifier,PA),采用阶跃式匹配结构实现其输入输出匹配网络设计,结合典型的十字型谐波控制技术实现了二、三次谐波的控制,极大地提高了输出效率。以GaN HEMT晶体管为核心器件,通过设置合适的偏置网络和匹配网络结构实现了电路设计。仿真结果表明,在2.3~2.9 GHz内其输出功率(P_(out))为41~42.1 dBm,增益(Gain)达12~13.1 dB、漏极效率(drain efficiency,DE)达69.1%~77.7%、功率附加效率(power added efficiency,PAE)达67.1%-74.3%。

基于连续双脉冲测试的GaN HEMT动态导通电阻变化及测量方法

实际应用中,GaN HEMT的动态导通电阻会随着工作电压、工作温度等因素的变化而改变,相同温度下的实际值常与静态测量结果有所差异。由于实验条件及测量方法不同,同一型号的器件往往会出现不一致的测试结果,对应用工况的设计与监测带来了困难。针对这一问题,提出了基于连续双脉冲的测试方法,并提出了一种基于差分计算的动态导通电阻提取方法,以更准确地提取器件的动态导通电阻。进一步讨论了母线电压和温度对器件动态导通电阻的影响,当母线电压增大时,GaN HEMT的动态导通电阻表现出先增大后减小的非单调的变化特性,动态导通电阻的标准值基本不随温度变化而改变。最后,探究了GaN HEMT动态导通电阻变化的机理,进一步加深了对器件动态导通电阻变化的理解。

基于温度特性测试的GaN HEMT功率放大器性能退化研究

为了研究氮化镓高电子迁移率晶体管功率放大器在不同环境温度下的性能退化情况,根据我国东、西、南、北4个地区的极端温度、平均温度以及电路的工作温度对其进行了系统的温度特性测试。测试结果显示,随着温度升高,该功率放大器的直流特性和交流特性都出现了不同程度的退化,当温度升高至125℃时,小信号增益较常温减少了1.26 dB,三阶交调点下降了6.03 dBm,输出功率与增益最大差值为1.31 dB。分析可得其主要原因是温度升高直接引起阈值电压正向偏移和二维电子气迁移率下降,进而导致饱和电流减小和膝点电压增加,最终使得输出功率显著减小。为保证电路在不同温度下正常工作,提出了一种温度补偿措施来抵消由温度引起的性能退化,这为电路的可靠性设计提供了重要参考。

基于微区拉曼法的AlGaN/GaN HEMT沟道温度测试研究

针对现有温度测试技术难以满足GaN器件寿命、可靠性以及热管理控制对沟道温度精确评估的需求,开展基于微区拉曼法测定AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)的沟道温度的研究。使用拉曼系统测量GaN材料的E2声子频率特征峰来确定沟道温度。通过使用洛伦兹拟合方法,提高拉曼测试结果精度。对微区拉曼法和红外热成像法测量器件结温进行量化研究,器件的直流输出功率密度分别为6、8、10 W/mm时基于微区拉曼法测得的GaN器件沟道温度分布为140.7、176.7、213.6℃;基于红外热成像法测得的温度分布为132.0、160.2、189.8℃。其测试精度相对红外法分别提升6.6%,10.3%和12.5%,同时尝试探索沟道深度方向的温度测量,实现沟道下3μm的温度测量,结果表明微区拉曼法有更高的测试精度,对器件结温的测量与评估以及热管理技术的提升都有重要意义。

AlGaN/GaN异质结HEMT电学特性仿真研究

GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)作为宽禁带功率半导体器件的代表,在电子电路的应用方面有巨大的潜力。GaN HEMT因其高击穿电压、高电子迁移率等优异性能,适用于各种高频、高功率器件,并被广泛应用于雷达和航空航天等领域。文中利用Silvaco TCAD软件,定义了AlGaN/GaN单异质结和双异质结HEMT结构,并对其转移特性、输出特性、频率特性和热特性进行了仿真研究。结果表明,AlGaN/GaN双异质结HEMT比单异质结器件具有更好的性能。这主要得益于双异质结二维电子气具有更好的限域性,并且载流子迁移率高的优势。