毫米波技術(shù)領(lǐng)域的不斷進(jìn)步因其波長(zhǎng)減小和頻帶寬而對(duì)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)做出了貢獻(xiàn)。這使制造商能夠設(shè)計(jì)更小但性能更高的組件。氮化鎵已證明自己在該領(lǐng)域是一種很有前途的半導(dǎo)體，其目標(biāo)應(yīng)用包括高功率放大器、寬帶放大器和5G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。

然而，隨著基于GaN HEMT(高電子遷移率晶體管)的器件的推出，這些特性使其適用于各種下一代毫米波電路。GaN 半導(dǎo)體具有寬帶隙、高飽和電子速度和高擊穿電壓，使其成為可用于高功率、高效率和寬工作帶寬電路的可靠半導(dǎo)體材料。

由于 GaN 已被證明是磷化銦和砷化鎵基器件的更好、更有效的替代品，因此關(guān)于毫米波 HEMT 的設(shè)計(jì)和構(gòu)造的可用數(shù)據(jù)不多。這些 HEMT 器件的布局一直是設(shè)計(jì)階段的障礙，以開(kāi)發(fā)具有更高效率的各種電源系統(tǒng)。

在研究論文 [1] 中，“基于計(jì)算建模的器件設(shè)計(jì)用于改進(jìn) GaN HEMT 的毫米波性能和線(xiàn)性度”，研究人員展示了使用 TCAD 軟件設(shè)計(jì)具有計(jì)算建模的毫米波 GaN HEMT 器件以提高性能和這些設(shè)備的線(xiàn)性度。除此之外，科學(xué)家們還研究了 AlN/GaN HEMT 和 AlGaN/GaN HEMT 以研究非線(xiàn)性行為。

設(shè)計(jì)毫米波 (mmW) GaN HEMT 器件時(shí)的權(quán)衡取舍

據(jù)研究人員稱(chēng)，現(xiàn)有的工作在射頻功率器件中使用基于 TCAD 的設(shè)計(jì)有限，而它們僅獨(dú)立處理特定參數(shù)以增強(qiáng)直流和擊穿性能。最近的報(bào)告表明，在最大化用于毫米波應(yīng)用的 HEMT 的 RF 品質(zhì)因數(shù)參數(shù)方面的研究有限，同時(shí)還審查了設(shè)計(jì)、性能和非線(xiàn)性權(quán)衡。

所做的工作僅限于大信號(hào)分析，但沒(méi)有報(bào)告用于毫米波應(yīng)用的 RF HEMT 設(shè)備的小信號(hào)建模。這項(xiàng)新研究通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的比較分析來(lái)研究射頻性能，例如 AlN 和 AlGaN 勢(shì)壘的勢(shì)壘類(lèi)型、橫向縮放和接觸電阻。在之前的報(bào)告中，缺少跨導(dǎo)改進(jìn)與其他設(shè)計(jì)方面的相關(guān)性，試圖解決這一差距。

在 A. Soni 和 M. Shrivastava 所做的工作中，本文介紹了射頻 HEMT 設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)策略、工作中使用的計(jì)算框架、開(kāi)發(fā)的方法和設(shè)計(jì)見(jiàn)解，以了解緩沖層和通道層對(duì)毫米波的影響性能，最后討論設(shè)計(jì)參數(shù)。

RF HEMT 器件的設(shè)計(jì)策略

用于測(cè)量器件電流可以被柵極調(diào)制的最大頻率的器件截止頻率方程表示對(duì)應(yīng)于器件載流子傳輸?shù)目傃舆t。

公式 1：器件截止頻率的表達(dá)式

其中 g m是跨導(dǎo)，g d是輸出電導(dǎo)，R s和 R d是源極和漏極電阻，C gs和 C gd是柵源和柵漏電容。

總延遲由三個(gè)部分組成——內(nèi)在延遲、寄生延遲和外在延遲。每個(gè)延遲分量都會(huì)影響器件的頻率性能，這是設(shè)計(jì) RF HEMT 器件時(shí)需要考慮的重要因素。內(nèi)在和外在延遲由器件跨導(dǎo)和電容控制，外在延遲是器件寄生電阻和輸出電導(dǎo)的函數(shù)。為了有效地設(shè)計(jì) RF GaN HEMT 器件，有必要了解這些延遲分量對(duì)器件物理參數(shù)和偏置條件的影響。

除了延遲之外，器件的非線(xiàn)性性能也是設(shè)計(jì)方法的一個(gè)關(guān)鍵因素，它受短溝道器件緩沖區(qū)的固有電阻率影響。器件協(xié)同設(shè)計(jì)方法將通過(guò)模擬表面陷阱對(duì)器件截止頻率的影響來(lái)幫助研究物理行為。

用于協(xié)同設(shè)計(jì)的 TCAD 軟件計(jì)算框架

作為協(xié)同設(shè)計(jì)方法的一部分，研究人員選擇研究中使用的器件結(jié)構(gòu)，。可以看出，當(dāng)啟用流體動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)傳輸模型時(shí)，載流子傳輸承認(rèn)載流子和晶格加熱。C 型摻雜引起的緩沖陷阱導(dǎo)致雪崩行為，可以預(yù)測(cè)擊穿電壓。為了計(jì)算擊穿電壓，在柵極施加關(guān)態(tài)應(yīng)力時(shí)，漏極電流限制為 1mA/mm。

緩沖層和通道層的構(gòu)建

1. GaN 的設(shè)計(jì)：盡管是高壓器件的關(guān)鍵參數(shù)，但 GaN 緩沖層在設(shè)計(jì) RF HEMT 器件時(shí)并未被視為重要元素，而碳摻雜緩沖層用于大多數(shù)高壓 HEMT 堆棧. 緩沖層有一個(gè)碳摻雜的 GaN 層，它位于通道和 UID 緩沖區(qū)之間。在 C 摻雜中，在較高的漏極偏置電壓下會(huì)降低緩沖漏電流，從而提高系統(tǒng)的擊穿電壓。C 型摻雜中的寄生電容與緩沖層厚度是分開(kāi)的，因?yàn)樯罘胖玫木彌_層對(duì)通道的放電或充電沒(méi)有作用。

2. 溝道背景摻雜的重要性：在 GaN 緩沖器的高無(wú)意摻雜 (UID) 中，寄生導(dǎo)電路徑很可能導(dǎo)致漏源漏電流。當(dāng)通道中存在電流泄漏時(shí)，熱電子往往會(huì)擴(kuò)散出通道，這會(huì)導(dǎo)致通道限制惡化。這反過(guò)來(lái)又減少了可用于通道電容充電的總漏極電流，從而導(dǎo)致額外的延遲分量。

不同類(lèi)型的圖層設(shè)計(jì)

表面態(tài)和非線(xiàn)性：由于 HEMT 中的 2DEG 對(duì)表面態(tài)高度敏感，因此應(yīng)用了虛擬門(mén)的概念，其中虛擬門(mén)的形成歸因于電子的俘獲以減少表面上的凈正電荷。在這里，由此產(chǎn)生的場(chǎng)柵極會(huì)產(chǎn)生熱載流子，這些載流子有可能使表面陷阱電離，并可能導(dǎo)致 2DEG 及其周?chē)暮谋M。

勢(shì)壘層設(shè)計(jì)和漏極場(chǎng)引起的 F T漂移：勢(shì)壘層的設(shè)計(jì)是各種重要參數(shù)的重要組成部分，例如跨導(dǎo)、柵極泄漏、2DEG 片密度和高頻工作時(shí)的器件線(xiàn)性度。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，器件的射頻性能與柵極長(zhǎng)度縮放一起進(jìn)行了研究。

結(jié)論

從上述模型中，使用經(jīng)過(guò)精心計(jì)算和基于物理的方法，研究了使用 TCAD 軟件成功實(shí)施設(shè)計(jì)指南。在模擬過(guò)程中，觀察到電離表面陷阱在漂移區(qū)上方 GaN 表面上的擴(kuò)散隨著漏極場(chǎng)的增加而增加。

然而，GaN HEMT 在減小器件尺寸的同時(shí)仍然面臨兩個(gè)問(wèn)題——捕獲效應(yīng)和自熱，這會(huì)導(dǎo)致電流崩塌和扭結(jié)效應(yīng)，從而降低器件性能。由于在生長(zhǎng)和器件加工過(guò)程中引入的晶體缺陷，俘獲效應(yīng)發(fā)生在器件的不同位置。

這就是為什么優(yōu)化材料質(zhì)量和相關(guān)工藝技術(shù)對(duì)于最大限度地減少捕獲效應(yīng)很重要。盡管 GaN HEMT 仍然是高功率毫米波應(yīng)用的有吸引力的電子器件，但其魯棒性和可靠性仍在研究中，因?yàn)榘幢壤s放的材料和器件需要展示高穩(wěn)定性、可重復(fù)性和均勻性。