科研训练总结guoxing概要.docx

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科研训练总结guoxing概要

西安邮电学院

科研训练

题目：

GaNHEMT器件特性

学院：

电子工程学院

系部：

微电子学系

专业：

微电子

班级：

微电子0802班

学生姓名：

郭杏（25

导师姓名：

陈海峰职称：

讲师

起止时间：

2011.09.25~2011.12.08

西安邮电学院

科研训练（论文任务书

学生姓名

指导教师

陈海峰

职称

讲师

学院

电子工程学院

系部

微电子系

专业

微电子

题目

GaNHEMT器件特性

任务与要求

本题目应完成的工作，题目预期目标

1、对GaN材料的特性研究

2、对HEMT的工作原理及IV特性的研究

3、Ga'NHEMT的小信号参数提取

4、GaNHEMT大信号模型参数提取概述

西安邮电学院

科研训练（论文工作计划

学生姓名

指导教师

陈海峰

职称

讲师

学院

电子工程学院

系部

微电子

专业

微电子

题目

GaNHEMT器件特性分析

工作进程

起止时间

工作内容

2011.09.25~2011.10.10

对GaN材料的特性研究

2011.10.20~2011.10.30

对HEMT的工作原理及IV特性的研究

2011.11.01~2011.11.10

Ga'NHEMT的小信号参数提取

2011.11.15~2011.11.30

GaNHEMT大信号模型参数提取概述

2011.12.01~2011.12.08

总结部分

主要参考书目（资料）

将搜索的资料进行分类整理并且筛选整合，才使得本课题得以顺利行

检索工具

西安邮电学院图书馆中文数据库、XX搜索引擎

检索材料

图书馆相关书籍

主要仪器设备及材料

由于受到各种条件的限制以及考虑到题目的特殊性，本次科研训练不曾使用仪器。

1．本课题所涉及的问题及应用现状综述

在不同的偏置条件下，结合具体的数据，对非本征参数进行了准确提取并进行曲线拟合，测试结果表明这种方法是可靠的；又针对模型的S参利用寄生参数剥离的方法，求出模型本征Y参数，提取出本征参数。

同样，理论曲线与测试曲线拟合的结果吻合度较好，显示提取方法可靠。

2．本课题需要重点研究的关键问题、解决的思路及实现预期目标的可行性分析

HEMTIV特性及跨导的分析，在这个部分牵扯到的数学计算比较多，公式推导比较麻烦，不过这个问题在同学的帮助下得以迎刃而解。

p

3．完成本课题的工作方案

第一阶段：

对GaN材料的特性研究

第二阶段：

对HEMT的工作原理及IV特性的研究

第三阶段：

Ga'NHEMT的小信号参数提取

第四阶段：

GaNHEMT大信号模型参数提取概述

第五阶段：

总结部分

p

4．指导教师审阅意见

指导教师（签字：

　　年月日

题目GaNHEMT器件特性

摘要

化合物半导体高电子迁移率晶体管等效电路建模是微波电路领域的一个重要课题，模型的精确度直接决定仿真结果的可信度。

随着无线通讯技术的飞速发展，宽禁带半导体材料GaN作为第三代半导体材料以其优异的电学特性使得GaNHEMT（Hi曲E1ec的nM0bilityTrallsistor一高电子迁移率晶体管建模成为研究热点。

引言

在半导体的发展历史上，二十世纪90年代之前，以硅（包括锗材料为主元素的第一代的半导体材料占统治地位。

Si作为第一代半导体材料，开创了半导体的历史，随着Si工艺的发展，Si超大规模集成电路早已投入使用。

但随着信息时代的来临，当人们对信息的存储、传输及处理的要求也越来越高时，以砷化镓（GaAs为代表的第二代化合物半导体材料显示了其巨大的优越性。

与Si等传统的半导体材料相比，第二代半导体材料——化合物半导体有更多优良的性质，如低电场下的高电子漂移速度和高迁移率，使得以GaAs为代表的半导体材料做成的器件在工作速度和频率上更具研究和应用价值，GaAs作为化合物半导体材料的代表，已被广泛应用于低噪声放大器及功率放大器。

随着通信技术的不断进步，GaAs材料方面的不足也逐渐显现出来，而以氮化物（包括SiC、ZnO等宽禁带半导体为第三代半导体材料，由于其优越的特征正在成为最重要的半导体材料之一。

其中氮化镓是最早被利用的、研究得最充分的第三代半导体材料。

很强的键强度，决定了它的材料强度大，耐高温，耐缺陷，不易退化，在器件应用上有很多的优点。

与GaAs相比，GaN具有击穿电场高，热导率高、介电常数小、禁带宽度大、电子饱和速度大、化学性质稳定、抗辐射能力强等等优点，是制作高温、大功率、高频电子器件的理想材料。

微波半导体器件是基于军用固态器件的要求，器件更加小型化、高可靠性、低成本、宽频带、大功率等而研发出来的，GaN器件正好符合这些要求。

GaN应用比较广泛的是GaNHEMT（Hi曲E1ec仃onMobilityTransistor一高电子迁移率晶体管，其具有宽禁带、二维电子气浓度大、跨导大、截止频率高、噪声低和开关速度快等特点，比其它材料更加适合做功率放大器。

随着分子束外延及MOCvD技术的发展，以及退火、腐蚀和刻蚀技术的发展，高电子迁移率晶体管、异质结场效应晶体管、金属绝缘场效应晶体管等GaN异质结应运而生。

因此，GaN器件具有更加广阔的应用前景及研究价值。

GaN基电子器件在高频和高功率条件下具有比硅和GaAs更为出色的工作性能，决定了其在功放器件市场的竞争能力。

随着无线通信技术的快速发展，作为通信基站关键器件的功放器件．．功率晶体管的市场规模日益扩大。

2001年全世界通信基站用功率晶体管的市场规模已经超过6亿美元。

分析人士认为，未来几年这一市场将继续保持年均20％以上的高速增长，因此进入这一市场的GaN制造商也十分踊跃。

1.正文

GaN材料的特性

GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点，是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，并与SiC、金刚石等半导体材料一起被誉为是继第一代Ge，Si半导体材料、第二代GaAs、111P化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。

它具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率、较好的化学稳定性（几乎不被任何酸腐蚀、强的抗辐照能力等优点，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。

GaN是极稳定的化合物，又是坚硬的高熔点材料，熔点约为1700℃，GaN具有高的电离度（0．5，在III—V族化合物中是最高的。

在大气压力下，GaN晶体一般是六方纤锌矿结构。

它在一个晶胞中有4个原子，原子体积大约为GaAs的一半。

因为其硬度高，又是一种良好的涂层保护材料。

2．1．2GaN的化学特性

在室温下，GaN不溶于水、酸和碱，而在热的碱溶液中以非常缓慢的速度溶解。

NaOH、H2S04和H3P04能较快地腐蚀质量差的GaN，可用于这些质量不高的GaN晶体的缺陷检测。

GaN在HCl气氛中高温下呈现不稳定特性，而在N2气下最为稳定。

2．1．3GaN的电学特性

GaN的电学特性是影响器件的主要因素。

未有意掺杂的GaN在各种情况下都呈n型，最好的样品的电子浓度约为4x1016／cm3。

一般情况下所制备的p型样品，都是高补偿的。

很多研究小组都从事过这方面的研究工作，其中中村报道了GaN最高迁移率

2．1．5GaN材料生长

由于GaN晶体在其熔点处具有极高的氮蒸汽压，所以无法使用传统的生长方法，如拉单晶法和区熔法来制备GaN体晶材料。

虽然GaN体晶生长方法（高氮压熔法或AMMONo法一直得到了研究支持，但是到目前为止体晶生长方法仍然存在大量的关键技术问题尚未解决，还无法进行实用化推广。

因此，GaN晶体薄膜异质外延生长一直是获得GaN晶体材料、各种III族氮化物材料、异质结和量子阱等材料结构的主要方法。

HEMT（HighElectronMobilityTransistor），高电子迁移率晶体管：

这是一种异质结场效应晶体管，又称为调制掺杂场效应晶体管（MODFET）、二维电子气场效应晶体管（2-DEGFET）、选择掺杂异质结晶体管（SDHT等。

这种器件及其集成电路都能够工作于超高频（毫米波）、超高速领域，原因就在于它是利用具有很高迁

（1）FET-IC实现超高频、超高速的困难

　　因为一般的场效应集成电路为了达到超高频、超高速，必须要减短信号传输的延迟时间τd∝CL/（μnVm和减小器件的开关能量（使IC不致因发热而损坏E=（Pdτd≈CLVm2/2，而这些要求在对逻辑电压摆幅Vm的选取上是矛盾的，因此难以实现超高频、超高速；解决的一个办法就是，首先适当降低逻辑电压摆幅,以适应IC稳定工作的需要，而要缩短τd则主要是着眼于提高电子的迁移率μn，这就发展出了HEMT。

（2）HEMT的工作原理：

　　HEMT的基本结构就是一个调制掺杂异质结。

高迁移率的二维电子气（2-DEG）存在于调制掺杂的异质结中，这种2-DEG不仅迁移率很高，而且在极低温度下也不“冻结”，则HEMT有很好的低温性能,可用于低温研究工作（如分数量子Hall效应中。

　　HEMT是电压控制器件，栅极电压Vg可控制异质结势阱的深度，则可控制势阱中2-DEG的面密度，从而控制着器件的工作电流。

对于GaAs体系的HEMT，通常其中的n-AlxGa1-xAs控制层应该是耗尽的（厚度一般为数百nm,掺杂浓度为107~108/cm3。

若n-AlxGa1-xAs层厚度较大、掺杂浓度又高，则在Vg=0时就存在有2-DEG,为耗尽型器件，反之则为增强型器件（Vg=0时Schottky耗尽层即延伸到i-GaAs层内部；但该层如果厚度过大、掺杂浓度过高,则工作时就不能耗尽,而且还将出现与S-D并联的漏电电阻。

总之，对于HEMT，主要是要控制好宽禁带半导体层——控制层的掺杂浓度和厚度，特别是厚度。

　　在考虑HEMT中的2-DEG面密度Ns时，通常只需要考虑异质结势阱中的两个二维子能带（i=0和1即可。

2-DEG面电荷密度Ns将受到栅极电压Vg的控制。

（3）HEMT的I-V特性和跨导：

　　①对于长沟道HEMT，其中电子的漂移速度vd不饱和，而且与沟道电场E（y有关，即有vd=μE（y。

则通过宽度是W的沟道的电流为IDS=qWNs（yμE（y=Wμ[ε’ε0/（d+Δd]·[Vgs－VT－V（y]·（dV（y/dy，　　从源端积分到漏端（y=0→L,就得到HEMT的I-V特性：

Ids=μ（W/L[ε’εo/（d+Δd]·[（Vgs－VTVds－（Vds2/2].　　相应地可求出HEMT的跨导为gm=μ（W/L[ε’ε0/（d+Δd]Vds∝Vds。

　　当Vds增加到Vdsat=Vgs－VT时,沟道夹断,即得到饱和电流：

Idsat=μ（W/L[ε’ε0/2（d+Δd]（Vgs－VT2,　　饱和时的跨导则为gmsat=μ（W/L[ε’ε0/（d+Δd]（Vgs－VT。

　　②对于短沟道（L≈1μm）的HEMT，漂移速度将饱和为vS，则饱和电流为　　IDSat=qNs0vSW=vSW[ε’ε0/（d+Δd]（Vgs－VT∝（Vgs－VT；并且饱和跨导与电压无关：

gmsat=vSW[ε’ε0/（d+Δd]。

实际上,对很短沟道的HEMT,往往是高得多的瞬态漂移速度起着决定作用，从而有更高的饱和电流和饱和跨导。

（4）高极性半导体调制掺杂异质结的HEMT：

　　对于极性很大的半导体异质结，那么情况将有所不同。

譬如n+-AlGaN/i-GaN调制掺杂异质结，由于其中的高迁移率2-DEG主要是由极化效应而产生出来的，因此，即使在AlGaN控制层中不掺杂，也能够得到大量的2-DEG（可高达1013cm），这时的2-DEG面密度将主要决定于极化效应的强度。

[1]

HEMT工作原理和金属半导体场效应晶体管（MESFET相似，主要区别在于HEMT导电沟道不掺杂，故载流子不会受到杂质散射，因而具有更高的电子迁移率，因此HEMT在功率应用方面具有高功率增益和高效率的特性，器件模型是对器件进行深入研究的基础，一个精确的模型是后续研究必须的条件。

为此，国内外研究人员对GaNHEMT物理机理进行了深入分析，并在逐步完善其等效电路参数模型。

A1GaN／GaNHEMT功率放大器研究涉及到材料、器件和电路。

器件材料方面AlGaN／GaNHEMT衬底材料已经采用热导率更高的SiC，器件结构方面AlGaN／GaNHEMT场板的研究已经比较成熟，耐压结构的研究成为热点。

电路设计方面各种匹配网络和各种类型的功率放大器研究结果表明创GaN／GaNHEMT应用范围在逐渐拓宽，电路产品方面A1GaN／GaNHEMT功率放大器正在逐步从分立电路向集成电路发展。

新近发现有公司研发出一种新的AlGaN／GaNHEMT器件结构。

器件结构采用AlGaN作为器件的缓冲层，其上是GaN沟道层。

沟道层上是双层A1GaN隔离层，其中下层A1GaN的铝组分与A1GaN缓冲层的铝组分接近，而上层舢GaN的铝组分更高。

两个欧姆接触分别形成器件的源极和漏极。

在源极和漏极之间用干法刻蚀将最上一层高铝组分砧GaN层刻蚀出槽，金属沉积在刻槽中形成栅极。

刻槽下的A1GaN层因为极化电场不强，无法在沟道中诱导出二维电子气。

沟道在此处被夹断，形成增强型场效应晶体管，或称为常关器件。

自发极化是指晶体没有应变时已存在内建极化电场，该电场源于晶体晶格不对称，形成共价键原子之间电负性不同，使得电子云偏向其中一个原子，表现为在晶体两表面分别出现净的正、负电荷。

压电极化指晶格由于应力作用而形变时产生一极化电场。

HEMT器件是耗尽型的还是增强型，取决于A1GaN层的厚

度。

Ga'NHEMT的小信号参数提取

提取小信号等效电路的方法有两种：

第一种：

直接提取法。

即在电路拓扑结构基础上同时提取多个参数，通过计算把各个元件值带入转化为最终的S参数值与测试的S参数值进行比较，得到最优的参数值‘17】f18】【191。

直接提取的优点是理论精度较高，避免外部参数测试数据与整体参数测试数据的不匹配，参数提取一次完成，具有很高的可靠性，直接提取的缺点是难度很大，随着参数增多，即使用全局优化法也难以准确找到全局最优值，因此直接提取法很费时间。

第二种：

分步提取法。

第一步是提取非本征参数，非本征参数不随外界偏压变化，故可在确定的偏置条件下，对寄生参数进行准确提取；第二步是提取本征参数此步是在寄生提取的基础上，将寄生提取值作为已知条件，对本征参数进行提取。

这种方法的优点是运算量小，容易实现，提取结果的准确性也大大增加。

经过分析，根据现有实验室条件，综合利弊，本文采用冷场法，即在V出=0，V嚣<、，血下，从外到内的顺序，先提取寄生电容，再提取寄生电感，最后提取电阻.在Vds=O，V。

。

下，HEMT处于截止态，本征部分没有电流流过，故提取寄生参数时候，可以忽略本征电路。

参数变换

网络分析仪测得的S参数包含寄生元件与本证元件的影响，提取本征电路元件参数，需去除寄生元件的影响。

将测得的一定偏压下的S参数进行Y、Z参数变换，逐层剥离寄生参数，并最终得到本征Y参。

即：

进行S、Y参数转换，去除C印、Cdp的影响；进行Y、Z参数转换，去除k、Ld、Ls的影响；进行Z、Y参数转换，去除C鲥、Cdsi的影响；进行Y、Z参数转换，去除如、凡、R。

的影响；最后将余下的Z参数转换为Y参数，得到本征Y参。

GaNHEMT大信号模型参数提取概述

GaNHEMT大信号模型的研究是GaNHEMT功率放大器设计的关键。

一般方法是根据经验．半经验模型对GaNHEMT进行建模，基于I．V测试，S参数等测量数据，通过一些数学方法（模拟退火算法等对参数进行拟合，构成非线性模型。

GaNHEMT经验模型主要以C皿iceCubic模型【4】为代表，该模型的优点是以双曲正切函数来描述器件I—V特性，提高了模型的描述精度。

小结

小信号参数提取是大信号模型参数提取的基础，因此，一个准确的小信号模型的重要性不言而喻。

本章通过对直接提取法和分步提取法的比较，分步提取法利用非本征参数不随外界偏压变化的特性，采用在确定的偏置条件下对寄生参数进行提取，并将寄生参数提取值作为已知条件，进行本征提取，这种方法具有运算量小，容易实现，提取结果的准确性较高等的优点，本文采用此方法。

在不同的偏置条件下，结合具体的数据，对非本征参数进行了准确提取并进行曲线拟合，测试结果表明这种方法是可靠的；又针对模型的S参利用寄生参数剥离的方法，求出模型本征Y参数，提取出本征参数。

同样，理论曲线与测试曲线拟合的结果吻合度较好，显示提取方法可靠。

GaNHEMT功放概述及应用展望

GaN基电子器件在高频和高功率条件下具有比硅和GaAs更为出色的工作性能，决定了其在功放器件市场的竞争能力。

随着无线通信技术的快速发展，作为通信基站关键器件的功放器件．．功率晶体管的市场规模日益扩大。

2001年全世界通信基站用功率晶体管的市场规模已经超过6亿美元。

分析人士认为，未来几年这一市场将继续保持年均20％以上的高速增长，因此进入这一市场的GaN制造商也十分踊跃。