研究目的
通过二维器件模拟研究栅长从4微米缩减至50纳米的平面N极性GaN高电子迁移率晶体管的直流性能和截止频率(fT)。
研究成果
通过TCAD仿真研究了栅长（LG）从4微米缩小至50纳米的N极性AlGaN/GaN金属-绝缘体-半导体（MIS）-HEMTs的直流性能与截止频率。展示了陷阱与栅介质对阈值电压（VTH）的影响以及跨导（Gm）与栅源电压（VGS）的依赖关系。借助仅需仿真结果中阈值电压参数的简易物理模型，定量分析了饱和区漏极电流与最大跨导随栅长的变化规律。在采用10纳米厚GaN沟道层与3纳米厚Al2O3栅介质的中心栅器件中，当LG<200纳米时出现显著负向VTH偏移和漏致势垒降低（DIBL）加剧等短沟道效应，同时最大跨导增速减缓且截止频率与栅长乘积（fT×LG）随栅长减小而降低。研究发现该器件的fT、LG与等效栅-沟道距离tt三者关系可用Jessen等人提出的T型栅G极性GaN HEMTs模型良好描述。本例中N极性GaN HEMTs的fT×LG乘积从其上限值衰减15%时所需的LG/tt比值低至5.5，远小于G极性器件所需的28。这主要归因于通过三倍栅长极小源漏间距实现的微小边缘电容效应。这些结果对N极性GaN HEMTs在器件尺寸微缩过程中的异质结构与工艺优化具有重要指导意义。
研究不足
与Ga极性器件相比，N极性氮化物的高质量生长存在巨大困难，导致相关研究成果的普适性较低，对N极性GaN HEMT的理解也相当不成熟。目前无论在实验还是理论上，都尚未充分探究该器件的小型化潜力。
1：实验设计与方法选择：
本研究采用二维器件仿真软件Silvaco Atlas，探究横向尺寸缩小的N极性GaN高电子迁移率晶体管（HEMTs）的性能表现，重点分析陷阱效应、栅极介质的影响，以及场相关迁移率和源漏串联电阻的作用机制。
2：样品选择与数据来源：
器件异质结构自上而下依次为：10纳米GaN沟道层、30纳米30%铝组分AlGaN势垒层、铝组分从30%线性渐变为零的40纳米AlGaN过渡层，以及1微米厚GaN缓冲层。
3：实验设备与材料清单：
所研究器件的栅极长度（LG）从4微米缩小至50纳米，栅源间距（LGS）与栅漏间距（LGD）均保持与LG相等。设定栅极功函数为5.2电子伏特，在栅极下方引入厚度3纳米、介电常数7的Al2O3介质层（延伸覆盖源漏区域），用以模拟无意或有意引入的氧化层。源漏电极接触电阻（RC）设为0.1欧姆·毫米。
4：2电子伏特，在栅极下方引入厚度3纳米、介电常数7的Al2O3介质层（延伸覆盖源漏区域），用以模拟无意或有意引入的氧化层。源漏电极接触电阻（RC）设为1欧姆·毫米。
实验流程与操作步骤：
4. 实验流程与操作步骤：通过在GaN/AlGaN异质界面（1.3×1013 cm?2）及AlGaN过渡层设置极化电荷，引入氮组分相关的自发极化与压电极化模型。在异质结构中添加陷阱以复现高栅压下导致跨导退化的非线性源极电阻。
5：3×1013 cm?2）及AlGaN过渡层设置极化电荷，引入氮组分相关的自发极化与压电极化模型。在异质结构中添加陷阱以复现高栅压下导致跨导退化的非线性源极电阻。
数据分析方法：
5. 数据分析方法：采用漂移-扩散模型进行仿真，沟道载流子使用平行电场相关的迁移率模型，设定低场迁移率μ为1200 cm2/(V·s)，电子饱和速度vsat为1.5×10? cm/s，并应用Shockley-Read-Hall (SRH)复合模型。
独家科研数据包，助您复现前沿成果，加速创新突破
获取完整内容
