InP基HEMT器件的基本特性仿真

張超+程超+夏鵬輝+楊興業(yè)

摘 要：高電子遷移率晶體管（ HEMT）噪聲低、電子遷移率高、功耗低、增益高其作為高頻半導(dǎo)體器件的一種，對(duì)其的研究早已成為熱門(mén)，并且已取得很好的進(jìn)展，被視為極其有競(jìng)爭(zhēng)力的能實(shí)際應(yīng)用的高頻半導(dǎo)體器件。本文介紹了 HEMT 等半導(dǎo)體器件仿真中常用物理模型，繼而基于 Sentaurus TCAD 仿真軟件，對(duì) InP 基 HEMT 器件的基本特性進(jìn)行了仿真，得到的結(jié)果很好地符合了理論值。最后，結(jié)合 InP 基 HEMT 器件工作原理和工程中所使用的物理模型，分析了其直流特性和交流特性等，并通過(guò)改變相關(guān)參數(shù)，研究了部分因素對(duì)器件的影響。

關(guān)鍵詞：InP；HEMT；流體力學(xué)模型；特性仿真

1 前言

InP基高電子遷移率晶體管（HEMT），相比與于傳統(tǒng)的晶體管器件，以其獨(dú)特的高遷移率、低噪聲、高增益特性，在國(guó)防航天、毫米波通信、衛(wèi)星遙感以及雷達(dá)等軍民用領(lǐng)域，擁有非常廣闊的應(yīng)用前景[3，4]。本文通過(guò)模擬仿真研究 InP基 HEMT 器件的基本特性，包括直流特性，交流特性等，對(duì)器件的工藝設(shè)計(jì)有著重要的意義。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì) InP 基 HEMT 進(jìn)行了制備上的大量研究，但是對(duì)器件模型以及仿真平臺(tái)的研究還有大量的工作，以及其他技術(shù)和基礎(chǔ)科學(xué)上的研究有待進(jìn)一步進(jìn)行。

本文的工程中，采用 Sentaurus TCAD 半導(dǎo)體器件模擬仿真軟件，針對(duì) InP 基HEMT 建立流體力學(xué)模型的模擬仿真平臺(tái)，通過(guò)觀察分析仿真的結(jié)果，為化合物半導(dǎo)體器件的進(jìn)一步研究提供了理論支持。

2 InP 基 HEMT 仿真模型分析

半導(dǎo)體器件在仿真的時(shí)候使用的物理模型包括傳統(tǒng)的蒙特卡羅模型、傳統(tǒng)的漂移擴(kuò)散模型和適合深亞微米器件的流體力學(xué)模型。出于計(jì)算效率的原因，本文主要使用了流體力學(xué)模型模擬仿真了 InP 基 HEMT 的轉(zhuǎn)移特性、輸出特性和頻率特性。并對(duì)其進(jìn)行了分析研究。

3 In P基HEMT器件仿真特性研究

用Sentaurus TCAD 軟件進(jìn)行InP基InGaAs/InAlAs 材料HEMT 器件的仿真，主要研究分析了其直流特性和交流特性，結(jié)果顯示該模型能夠很好的對(duì)目標(biāo)器件進(jìn)行特性上的仿真。

本論文所建工程中，器件上層為高摻雜帽層，以減小接觸電阻。中間為T(mén)型柵，其次為12nm厚InAlAs厚勢(shì)壘層，再加上Si材料delt 摻雜層，提供溝道層的二維電子氣。下面是 3nm 厚 In Al As 材料的隔離層。溝道層材料為InGaAs材料，厚度為15nm。下層為緩沖層和InP材料襯底。

3.1 直流特性分析

圖2和圖3分別表示不同柵槽深度器件的轉(zhuǎn)移特性，跨導(dǎo)，和輸出特性。從仿真結(jié)果中可以看出，柵槽越深，閾值電壓越大，而跨導(dǎo)值也會(huì)變大，輸出特性的值會(huì)減小。因此，柵槽深度對(duì)器件直流特性的影響相當(dāng)重要，要得到較好的器件特性，應(yīng)綜合考慮柵槽深度對(duì)各種參數(shù)的影響，從而在器件的實(shí)際制作中結(jié)合工藝制作相應(yīng)的尺寸。

不同柵槽寬度對(duì)器件特性的影響可由圖 4 和圖5 顯示。根據(jù)仿真過(guò)程發(fā)現(xiàn)，柵槽寬度對(duì)器件的轉(zhuǎn)移特性和跨導(dǎo)有很大影響。沒(méi)有合適的柵槽寬度，會(huì)得到很不理想的特性曲線。經(jīng)過(guò)不斷的嘗試，最終得到合適的柵槽寬度。由仿真結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，柵槽寬度對(duì)輸出特性的影響并沒(méi)有跨導(dǎo)那么大。仿真結(jié)果符合實(shí)際。在實(shí)際柵槽腐蝕中，柵槽寬度很難控制，往往材料在橫向上是相同的，腐蝕液很容易擴(kuò)散，因此實(shí)際的腐蝕寬度很難把握，而縱向是異種材料，通過(guò)選擇腐蝕比較容易控制柵槽的縱向深度。

如圖6 所示，柵極勢(shì)壘值對(duì)轉(zhuǎn)移特性和跨導(dǎo)的影響僅限于增大減小閾值電壓，對(duì)跨導(dǎo)的大小并沒(méi)有影響。從圖7可以看出，對(duì)于輸出特性，不同勢(shì)壘值影響了其輸出值的大小，隨著Vd的增大，曲線先增大后趨于穩(wěn)定。從器件結(jié)構(gòu)可知，勢(shì)壘的不同使柵極電壓對(duì)二維電子氣的濃度的影響有所變化，因此導(dǎo)致了輸出Id的不同。

3.2 交流特性分析

結(jié)合實(shí)際工藝中的柵槽腐蝕，定義了不同柵槽深度，主要仿真了不同柵槽深度下的fmax和fT，分析了柵槽深度對(duì)器件交流特性的影響。

HEMT交流特性中，我們主要關(guān)注器件的頻率特性，其中最重要的兩個(gè)指標(biāo)分別為截止頻率fT以及最高振蕩頻率fmax，截止頻率指的是漏極電流的增益h21下降為1時(shí)的頻率。最高振蕩頻率fmax時(shí)的是晶體管的單向化功率增益為1時(shí)的器件工作頻率，也是器件所能進(jìn)行功率放大作用的最高工作頻率[5]。

從圖8和圖9仿真結(jié)果可以看出，深槽深度在3nm時(shí)的fmax和ft均大于1nm和5nm時(shí)，即表明，柵槽深度在一個(gè)合適值的時(shí)候，fmax和ft才會(huì)達(dá)到最大值，而且柵槽深度不應(yīng)該過(guò)小，也不應(yīng)該過(guò)大，應(yīng)處于一個(gè)合適的區(qū)間。這一仿真結(jié)果對(duì)實(shí)際器件研發(fā)有直到性的意義，應(yīng)綜合分析器件各特性，尋找最合適的柵槽深度。據(jù)調(diào)研，目前數(shù)字腐蝕這一方法可以精確刻蝕柵槽深度，因此對(duì)制造理想柵槽深度的器件很有意義。

4 結(jié)論

從仿真結(jié)果來(lái)看，所建立的InP基HEMT器件模型具有良好的半導(dǎo)體器件特性，適用于高頻電路。但仍需不斷優(yōu)化改良，后續(xù)的工作可進(jìn)一步放在 HEMT的柵槽。應(yīng)進(jìn)一步完善柵槽腐蝕的工藝，確保柵槽腐蝕更為精確，以免與實(shí)際要求差異太大而影響器件的應(yīng)用。在仿真工作中，所模擬的摻雜情況與實(shí)際器件可能有一定差異，為更精確的模擬器件，還應(yīng)該進(jìn)一步研究所建立的器件模型中的摻雜分布情況，并完善SDE中的模型。

參考文獻(xiàn)

[1]姚立華.國(guó)外InPHEMT和InPHBT的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2009，11：1053-1057.

[2]高勇.半導(dǎo)體材料科學(xué)中的漂移擴(kuò)散模型和流體動(dòng)力學(xué)模型分析[D].河南大學(xué)，2004.

[3]李和委.InP-HEMT的發(fā)展現(xiàn)狀及其應(yīng)用[J].半導(dǎo)體情報(bào)，2000，03：17-25.

[4]鐘英輝.InP基HEMT器件及毫米波單片放大電路研究[D].西安電子科技大學(xué)，2013.