AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件电离辐照损伤机理及偏置相关性研究

本文利用 60Co γ射线,针对 AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(high-electron mobility transistors,HEMT)器件,开展了在不同偏置下器件电离辐照总剂量效应实验研究.采用1/f噪声结合直流电学特性参数对实验结果进行测量分析,分析结果表明,受到辐照诱生氧化物缺陷电荷与界面态的影响,当辐照总剂量达到1 Mrad(Si)时,零偏条件下AlGaN/GaN HEMT器件的电学参数退化得最大,其中,饱和漏电流减小36.28%,最高跨导降低52.94%;基于McWhorter模型提取了AlGaN/GaN HEMT器件辐照前后的缺陷密度,零偏条件下辐照前后缺陷密度变化最大,分别为4.080 × 1017和6.621 × 1017 cm–3·eV–1.其损伤机理是在氧化物层内诱生缺陷电荷和界面态,使AlGaN/GaN HEMT器件的平带电压噪声功率谱密度增加.

AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件中子位移损伤效应及机理

针对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件和异质结构在西安脉冲反应堆上开展了中子位移损伤效应研究,等效1 MeV中子注量为1×1014 n/cm^2.测量了器件在中子辐照前后的直流特性和1/f噪声特性,并对测试结果进行理论分析,结果表明:中子辐照在器件内引入体缺陷,沟道处的体缺陷通过俘获电子和散射电子,造成器件电学性能退化,主要表现为阈值电压正漂、输出饱和漏电流减小以及栅极泄漏电流增大.经过低频噪声的测试计算得到,中子辐照前后,器件沟道处的缺陷密度由1.78×1012 cm^-3·eV^-1增大到了1.66×10^14 cm^-3·eV^-1.采用C-V测试手段对肖特基异质结进行测试分析,发现沟道载流子浓度在辐照后有明显降低,且平带电压也正向漂移.分析认为中子辐照器件后,在沟道处产生了大量缺陷,这些缺陷会影响沟道载流子的浓度和迁移率,进而影响器件的电学性能.

一种3．1-10．6GHz超宽带低噪声放大器设计

设计了一种基于TSMC 0.13μm CMOS工艺,用于3.1～10.6GHz带宽的CMOS低噪声放大器。输入级采用共栅极结构,在宽频带内能较好地完成输入匹配。放大级采用共源共栅结构,为整个电路提供合适的增益。输出则采用源极输出器来进行输出匹配。使用ADS2006软件进行设计、优化和仿真。仿真结果显示,在3.1GHz～10.6GHz带宽内,放大器的电源电压在1.2V时,噪声系数低于2.5dB,增益为20.5dB,整个电路功耗为8mW。

含反位缺陷碳化硅纳米管的电子结构和光学性质

基于第一性原理计算,对含有SiC反位缺陷或CSi反位缺陷碳化硅纳米管的电子结构和光学性质进行了研究。SiC缺陷在纳米管的表面形成了凸起,CSi缺陷在纳米管的表面形成了凹陷;这两种缺陷都导致在纳米管的导带底附近形成了缺陷能级,使得纳米管表现出n型电导;导带顶到杂质能级间的跃迁使得纳米管的光学带隙呈现了减小的趋势。这些结果对碳化硅纳米管电子器件和光学器件的研究都有较重要的参考价值。

SiGe HBT超宽带低噪声放大器设计

采用ADS软件设计并仿真了一种应用于UWB标准的低噪声放大器。该低噪声放大器基于JAZZ 0.35μmSiGe工艺,工作带宽为3.1～10.6GHz。电路的输入极采用共发射极结构,利用反馈电感来进行输入匹配,第二级采用达林顿结构对信号提供合适的增益。使用ADS2006软件进行设计、优化和仿真。仿真结果显示,在3.1～10.6GHz带宽内,放大器的电源电压在3.3V时,噪声系数低于2.5dB,增益大于24dB,功耗为28mV,输出三阶交调为17dBm。

应变Si/Si1-xGex n型金属氧化物半导体场效应晶体管反型层中的电子迁移率模型

为了描述生长在弛豫Si1-xGex层上应变Sin型金属氧化物半导体场效应晶体管(nMOSFETs)反型层中电子迁移率的增强机理,提出了一种新型的、基于物理的电子迁移率模型.该模型不仅能够反映声学声子散射迁移率、表面粗糙度散射迁移率与垂直于半导体-绝缘体界面的电场强度之间的依赖关系,而且也能解释不同的锗组分对两种散射机理的抑制情况从而引起电子迁移率增强的机理.该模型数学表达式简单,可以模拟任意锗组分下的迁移率.通过数值分析验证得出,该模型与已报道的实验数据结果相符合.同时该模型能够被嵌入到ISE模拟器中,获得与原模拟器内置模型相一致的结果.

Al2O3介质层厚度对AlGaN/GaN金属氧化物半导体-高电子迁移率晶体管性能的影响

在蓝宝石衬底上采用原子层淀积法制作了三种不同Al2O3介质层厚度的绝缘栅高电子迁移率晶体管.通过对三种器件的栅电容、栅泄漏电流、输出和转移特性的测试表明:随着Al2O3介质层厚度的增加,器件的栅控能力逐渐减弱,但是其栅泄漏电流明显降低,击穿电压相应提高.通过分析认为薄的绝缘层能够提供大的栅电容,因此其阈值电压较小,但是绝缘性能较差,并不能很好地抑制栅电流的泄漏;其次随着介质厚度的增加,可以对栅极施加更高的正偏压,因此获得了更高的最大饱和电流.另外,对三种器件的C-V与跨导特性的深入分析证明了较厚的Al2O3层拥有更好的介质质量与钝化效果.

总剂量辐照条件下部分耗尽半导体氧化物绝缘层N沟道金属氧化物半导体器件的三种kink效应

研究了0.8μm SOINMOS晶体管,经过剂量率为50rad(Si)/s的60Coγ射线辐照后的输出特性曲线的变化趋势.研究结果表明,经过制造工艺和版图的优化设计,在不同剂量条件下,该样品均不产生线性区kink效应.由碰撞电离引起的kink效应,出现显著变化的漏极电压随总剂量水平的提高不断增大.在高剂量辐照条件下,背栅ID-VSUB曲线中出现异常的"kink"现象,这是由辐照诱生的顶层硅膜/埋氧层之间的界面陷阱电荷导致的.

新型高速半导体器件IMOS阈值电压解析模型

本文在研究IMOS器件结构的基础上,分析了该器件不同区域的表面电场,结合雪崩击穿条件,建立了P-IMOS的阈值电压解析模型.应用MATLAB对该器件阈值电压模型与源漏电压、栅长和硅层厚度的关系进行了数值分析,并用二维器件仿真工具ISE进行了验证.结果表明,源电压越大,阈值电压值越小;栅长所占比例越大,阈值电压值越小,硅层厚度越小,阈值电压值越小.本文提出的模型与ISE仿真结果一致,也与文献报道符合.这种新型高速半导体器件IMOS阈值电压解析模型的建立为该高性能器件及对应电路的设计、仿真和制造提供了重要的参考.

基于Verilog-A的深亚微米GGNMOS ESD保护器件可调模型研究

针对深亚微米工艺实现的GGNMOS器件推导分析了其相关寄生元件的工作机理和物理模型,并基于Verilog-A语言建立了保护器件的电路仿真模型.详细讨论了保护器件寄生衬底电阻对保护器件触发电压的影响,进一步给出了衬底电阻值可随源极扩散到衬底接触扩散间距调节的解析表达式并用于特性模拟,仿真结果与流片器件的传输线脉冲测试结果吻合.

基于动态衬底电阻的自衬底触发ESD保护器件

利用版图设计方法对衬底触发多叉指GGNMOS器件进行了改进设计,优化了多叉指保护器件的触发均匀性。同时通过在保护器件源极扩散区周围增加N阱环来增大等效衬底电阻,以提高其触发性能。器件仿真结果表明,与传统GGNMOS器件和普通衬底触发GGNMOS器件相比,所提出的基于动态衬底电阻的自衬底触发GGNMOS结构的ESD鲁棒性达到了9.7 mA/μm,同时触发电压也降低了约32%,达到了提高保护器件ESD鲁棒性和降低触发电压的目的。

具有P型覆盖层新型超级结横向双扩散功率器件

为了设计功率集成电路所需要的低功耗横向双扩散金属氧化物半导体器件(lateral double-diffused MOSFET),在已有的N型缓冲层超级结LDMOS(N-buffered-SJ-LDMOS)结构基础上,提出了一种具有P型覆盖层新型超级结LDMOS结构(P-covered-SJ-LDMOS).这种结构不但能够消除传统的N沟道SJ-LDMOS由于P型衬底产生的衬底辅助耗尽问题,使得超级结层的N区和P区的电荷完全补偿,而且还能利用覆盖层的电荷补偿作用,提高N型缓冲层浓度,从而降低了器件的比导通电阻.利用三维仿真软件ISE分析表明,在漂移区长度均为10μm的情况下,P-covered-SJ-LDMOS的比导通电阻较一般SJ-LDMOS结构降低了59%左右,较文献提出的N型缓冲层SJ-LDMOS(N-buffered-SJ-LDMOS)结构降低了43%左右.

衬底浮空的新型绝缘体上硅基横向功率器件分析

针对有机半导体领域的发展要求,报道了一种能够应用于有机半导体领域衬底浮空的新型SOI LDMOS(silicon on insulator lateral double-diffused metal oxide semiconductor)功率器件,不同于传统无机半导体中SOI LDMOS功率器件,该新型器件可以与绝缘的柔性衬底结合应用于有机半导体领域,这给有机半导体领域的研究方向提供了新的可能.本文通过仿真和流片实验共同验证了当常规SOI LDMOS缺失衬底电极后,比导通电阻和阈值电压均无明显变化,但击穿电压会因为缺失衬底电极和纵向电场而下降15%左右.针对该现象提出了一个具有表面衬底电极和漂移区氧化槽的新型SOI LDMOS功率器件,该新型器件能够重新给衬底提供电极、优化横纵向电场、不明显改变比导通电阻与阈值电压,同时将常规SOI LDMOS的击穿电压提高57.54%,缓解了应用于有机半导体领域带来的不良影响.为传统功率半导体应用于有机半导体领域的研究提供了可能,对于有机半导体研究领域的拓展具有创新意义.

金属氧化物半导体场效应管热载流子退化的1/f~γ噪声相关性研究

研究了金属氧化物半导体(MOS)器件在高、中、低三种栅压应力下的热载流子退化效应及其1/fγ噪声特性.基于Si/SiO2界面缺陷氧化层陷阱和界面陷阱的形成理论,结合MOS器件1/f噪声产生机制,并用双声子发射模型模拟了栅氧化层缺陷波函数与器件沟道自由载流子波函数及其相互作用产生能级跃迁、交换载流子的具体过程.建立了热载流子效应、材料缺陷与电参量、噪声之间的统一物理模型.还提出了用噪声参数Sfγ表征高、中、低三种栅应力下金属氧化物半导体场效应管抗热载流子损伤能力的方法.根据热载流子对噪声影响的物理机制设计了实验并验证这个模型.实验结果与模型符合良好.

新型载流子积累的逆导型横向绝缘栅双极晶体管

通过引入n^(+)阳极在体内集成续流二极管的逆导型横向绝缘栅双极晶体管(reverse-conducting lateral insulated gate bipolar transistor,RC-LIGBT)可以实现反向导通,并且优化器件的关断特性,是功率集成电路中一个有竞争力的器件.本文提出了一种新型载流子积累的RC-LIGBT,它具有电子控制栅(electron-controlled gate,EG)和分离短路阳极(separated short-anode,SSA),可以同时实现较低的导通压降和关断损耗.在正向导通状态,漂移区上方的EG结构可以在漂移区的表面积累一个高密度的电子层,从而大大地降低器件的导通压降.同时,SSA结构的使用还极大优化了器件的关断损耗.另外,低掺杂p型漂移区与SSA结构配合,可以简单地实现反向导通并且消除回吸电压.仿真结果表明,所提出的器件具有优秀的导通压降与关断损耗之间的折衷关系,其导通压降为1.16 V,比SSA LIGBT低55%,其关断损耗为0.099 mJ/cm^(2),比SSA LIGBT和常规LIGBT分别低38.5%和94.7%.

肖特基结多数载流子积累新型绝缘栅双极晶体管

绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)是现代功率半导体器件的核心,因其良好的电学特性得到了广泛的应用.本文提出了一种具有肖特基结接触的栅半导体层新型多数载流子积累模式IGBT,并对其进行特性研究和仿真分析.当新型IGBT处于导通状态,栅极施加正向偏压,由于肖特基势垒二极管极低的正向导通压降,使得栅半导体层的电压几乎等于栅极电压,从而能够在漂移区中积累大量的多数载流子电子.除了现有的电子外,这些积累的电子增大了漂移区的电导率,从而显著降低了正向导通压降.因此,打破了传统IGBT正向导通压降受漂移区掺杂浓度的限制.轻掺杂的漂移区可以使新型IGBT具有较高的击穿电压,同时减小了关断过程中器件内部耗尽层电容,因此整体米勒电容减小,提升了关断速度,减小了关断时间和关断损耗.分析结果表明,600 V级别的击穿电压时,新型IGBT的正向导通压降,关断损耗和关断时间相比常规IGBT分别降低了46.2%,52.5%,30%,打破了IGBT中正向导通压降和关断损耗之间的矛盾.此外,新型IGBT具有更高的抗闩锁能力和更大的正偏安全工作区.新型结构的提出满足了未来IGBT器件性能的发展要求,对于功率半导体器件领域具有重大指导意义.

异质栅全耗尽应变硅金属氧化物半导体模型化研究

为了进一步提高小尺寸金属氧化物半导体(MOSFET)的性能,在应变硅器件的基础上,提出了一种新型的异质栅MOSFEET器件结构.通过求解二维Poisson方程,结合应变硅技术的物理原理,建立了表面势、表面电场以及阈值电压的物理模型,研究了栅金属长度、功函数以及双轴应变对其的影响.通过仿真软件ISE TCAD进行模拟仿真,模型计算与数值模拟的结果基本符合.研究表明:与传统器件相比,本文提出的异质栅应变硅新器件结构的载流子输运效率进一步提高,可以很好地抑制小尺寸器件的短沟道效应、漏极感应势垒降低效应和热载流子效应,使器件性能得到了很大的提升.

n型金属氧化物半导体场效应晶体管噪声非高斯性研究

基于n型金属氧化物半导体场效应晶体管(nMOSFET)噪声的数涨落模型,采用高阶统计量双相干系数平方和研究了nMOSFET噪声的非高斯性.通过对nMOSFET实际测试噪声的分析,发现nMOSFET器件噪声存在非高斯性;小尺寸器件噪声的非高斯性强于大尺寸器件;在器件的强反型线性区,其非高斯性随着漏压的增加而增加.文中还通过蒙特卡罗模拟和中心极限定理理论对nMOSFET噪声的非高斯性作了深入的探讨.

单Halo全耗尽应变Si绝缘硅金属氧化物半导体场效应管的阈值电压解析模型

为了改善金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)的短沟道效应(SCE)、漏致势垒降低(DIBL)效应,提高电流的驱动能力,提出了单Halo全耗尽应变硅绝缘体(SOI)MOSFET结构,该结构结合了应变Si,峰值掺杂Halo结构,SOI三者的优点.通过求解二维泊松方程,建立了全耗尽器件表面势和阈值电压的解析模型.模型中分析了弛豫层中的Ge组分对表面势、表面场强和阈值电压的影响,不同漏电压对表面势的影响,Halo掺杂对阈值电压和DIBL的影响.结果表明,该新结构能够抑制SCE和DIBL效应,提高载流子的输运效率.

堆叠栅介质对称双栅单Halo应变Si金属氧化物半导体场效应管二维模型

提出了一种堆叠栅介质对称双栅单Halo应变Si金属氧化物半导体场效应管(metal-oxide semiconductor field effect transistor,MOSFET)新器件结构.采用分区的抛物线电势近似法和通用边界条件求解二维泊松方程,建立了全耗尽条件下的表面势和阈值电压的解析模型.该结构的应变硅沟道有两个掺杂区域,和常规双栅器件(均匀掺杂沟道)比较,沟道表面势呈阶梯电势分布,能进一步提高载流子迁移率;探讨了漏源电压对短沟道效应的影响;分析得到阈值电压随缓冲层Ge组分的提高而降低,随堆叠栅介质高k层介电常数的增大而增大,随源端应变硅沟道掺杂浓度的升高而增大,并解释了其物理机理.分析结果表明:该新结构器件能够更好地减小阈值电压漂移,抑制短沟道效应,为纳米领域MOSFET器件设计提供了指导.