氮化镓器件性能分析及集成电路设计要点.docx
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氮化镓器件性能分析及集成电路设计要点
河北工业大学
毕业设计说明书
作者:
学号:
学院:
系(专业):
电子科学与技术
题目:
GaN器件性能分析及集成电路设计
指导者:
教授
评阅者:
副教授
2012年6月2日
毕业设计(论文)中文摘要
GaN器件性能分析及集成电路设计
摘要:
宽禁带半导体材料GaN以其独特的半导体特性而受到广泛关注。
而在GaN材料构成的器件中,GaNMOSFET器件由于其应用在高温、高频、大功率等方面的优越性,受到越来越多的重视。
利用已知的GaN材料参数进行Matlab仿真并创建GaNMOSFET的PSPICE模型,对其进行输出特性和转移特性等方面的研究,从理论上分析GaNMOSFET的器件性能。
主要内容包括:
设定的器件外部参数条件,GaNnMOSFET在室温下的阈值电压为0.12V,当VGS为8V时,得到器件的饱和漏电流约为24mA左右;室温下对GaNMOSFET器件直流特性进行模拟,分析了关键结构技术参数沟道掺杂浓度、栅长对转移特性和输出特性的影响;GaNMOSFET器件温度特性的模拟,仿真得到在300K到500K温度范围内GaNMOSFET的转移特性和输出特性;在反馈放大电路中应用GaNMOSFET的PSPICE模型进行仿真。
关键词:
GaNMOSFETMatlabPSPICE集成电路
毕业设计(论文)外文摘要
TitleTheanalysisofGaNdeviceandthedesignofintegratedcircuit
Abstract
Asoneofthethirdgenerationwidebandgapssemiconductormaterials,GalliumNitride(GaN)abstractmoreandmorepeoplebecauseofitsspecialcharacteristics.Becauseofitsabilitytooperateathighpower,hightemperatureandhighspeed,theGalliumNitride(GaN)anditsrelatedMOSFETdevicehavebeenattractingAttention.
ThecharacteristicsofGaNMOSFEThasbeendiscussedinthispaperusingthemethodofcomputersimulation.BybuildingtheMatlabandthePSPICEmodelsofGaNmaterial,wesimulateDCcharacteristicsofGaNMOSFETandtherelationshipbetweenthetransferandoutputcharacteristicsandthekeyparameters.Toconclude:
Atroomtemperature,withthedevicesexternalparametersknown,theGaNnMOSFETcouldgetthethresholdvoltageof0.12Vandgetthesaturatedleakagecurrentof24mAwhentheVGSis8V.Attheroomtemperature,wesimulatetheDCcharacteristicofGaNMOSFET,analyzingtherelationshipbetweenthetransferandoutputcharacteristicsandthekeytechnicalparameters,suchasthechanneldopingconcentration,gatelengthandfindthatthechanneldopingconcentration.Analysistransferandoutputcharacteristicsofthedevicewhentemperaturevariesfrom300Kto500K.Intheapplicationofamplifiercircuit,weobservetheperformanceofGaNMOSFETofPSPICEmodel.
Keywords:
GaNMOSFETMatlabPSPICEintegratedcircuit
目次
1绪论1
1.1课题研究的背景与意义1
1.2GaN器件的研究现状及存在问题2
2GaN材料特性及MOSFET器件概述3
2.1GaN材料特性4
2.2GaNMOSFET器件概述5
3仿真工具MATLAB和Pspice6
3.1仿真工具MATLAB简介6
3.2仿真工具Pspice简介7
3.2MATLAB和Pspice的联合使用8
4GaNMOSFET器件模拟8
4.1GaNMOSFET器件结构及基本特性模拟8
4.2GaNMOSFET器件直流特性模拟14
4.3GaNMOSFET器件温度特性模拟16
5GaNMOSFET器件在集成电路中的应用18
5.1GaNMOSFET器件在反馈放大电路中的应用18
结论20
参考文献21
致谢23
1绪论
1.1课题的研究背景与意义
1.1.1课题的研究背景
传统的半导体器件多以Si、GaAs等材料为基础制成,由于材料本身的限制,其性能已接近理论极限。
而以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料,即宽禁带半导体材料,则由于其突出的材料性能——宽带隙、高饱和电子漂移速度、高临界击穿电场等——而代替Si、GaAs等成为制造大功率、高温、高频和抗辐射电子器件的理想材料。
正是由于这种需要,近二十年来,宽禁带半导体材料发展迅速——从上世纪九十年代开始,宽禁带半导体材料逐渐成为研究人员的研究重心。
GaN的研究是从上世纪二十年代开始的。
1928年,Johnson等人通过Ga金属和NH3反应得到的GaN材料。
十年之后,1938年,Juza和Hahn尝试生长了热力学稳定的GaN结构。
而GaN半导体材料的商业应用应始于1970年,但由于GaN单晶材料制备上的困难以及难于生长出GaN-PN结,GaN器件的研究很长时间一直没有突破。
到1985年,通过采用先进的分子束外延方法,GaN材料的性能得到了大大的改善;[1]随后在1989年,Akasaki等人利用电子辐照方法实现了GaNP型材料的生长并制备出PN结;[1]而后在1991年,日本研制出同质结蓝色LED;1993年,Khan等人采用低压MOCVD技术,并在蓝宝石衬底上利用一层AlN薄膜缓冲层提高GaN膜质量的方法首次制造了GaNMESFET;1995年,Nakamura等人制备出发蓝紫光的GaN发光二极管,效率为5%,寿命达一万小时;[1]其后两年,在1997年,用GaN基材料制备的半导体激光器面世;1998年,F.Ren等人制造出第一只GaNMOSFET;[2]2007年,中科院研制成功GaN基半导体激光器,填补了我国在这一方面的空白;2011年,微电子研究所微波器件与集成电路研究室研制成功了毫米波GaN功率器件,其功率测试是国内目前研究中已知的最高频性能。
最近十年来,GaN器件的研究飞速发展,对其的研究、开发和制造已成为目前国际半导体领域中的热点问题。
现在全球已有接近100家公司和200多所大学与研究所进行GaN材料、工艺和光电器件开发的研究。
2010年GaN微电子在工程化方面取得重大突破,预计2010年~2015年间即可实现GaN材料商业化研发生。
继GaAs微电子之后,GaN微电子也将成为化合物半导体领域发展的一颗新星。
1.1.2课题的研究意义
1GaN材料性能优越
与第一代半导体材料Si与第二代半导体材料GaAs、InP等相比,GaN具有更优越的物理性能:
禁带宽度大,热导率高,从而具有更高的击穿电压和工作温度以及更强的抗辐射能力;导带底在Γ点,而且与导带的其他能谷之间能量差大,从而使其不易产生谷间散射,易得到很高的强场漂移速度;GaN易与AlN、InN等构成混晶,能制成各种异质结构;晶格对称性比较低,具有很强的压电性和铁电性;在异质结界面附近具有很强的压电极化和自发极化,能感生出极高密度的界面电荷。
总而言之,GaN基半导体材料具有内、外量子效率高、高发光效率、高热导率、高强度和高硬度、耐高温、抗辐射、耐酸碱等特性,是目前世界上最先进的半导体材料。
2GaN材料应用前景广阔
作为一种新型化合物半导体材料,GaN由于其独特的材料性质而具有许多硅基半导体材料所不具备的优异性能,在大功率、高温高频和高速半导体器件中表现出色,可取代部分硅和其他化合物半导体材料器件市场。
GaN更宽的禁带,可以发射波长比红光更短的蓝光,从而为新的光电应用产品的研究开发提供了新的思路。
在军用方面,由于GaN微电子器件可以在600~1100℃的范围内工作,其高频、大功率和高强的抗辐射能力也占很大优势,从而得到了军事宇航领域的广泛重视。
在民用方面,GaN基器件的对高频率和大功率的处理能力对于发展高级通信网络中的放大器、调制器以及其他关键器件都很重要。
另外,GaN材料在大频幕、车灯、交通灯、GaN基LED白光照明,数字化存储技术,光纤通信、探测器、光学阅读、激光高速印刷等领域有重要的用途和光明的应用前景。
1.2GaN器件的研究现状及存在问题
1.2.1GaN器件的研究现状
GaN材料系列是一种理想的短波长发光器件材料,其在蓝光LED、激光器等的应用方面已得到长足发展。
同样,由于其在高温、高频以及大功率领域内的杰出表现,人们对GaNHEMT器件也有大量深入的研究。
而与之相比的是,GaNMOSFET的研究正处于发展阶段。
相对而言,国际方面研究的比较多:
世界上第一只GaNMOSFET器件,在1998年由F.Ren等人使用Ga2O3(Gd2O3)做为栅介质制成;[2]其后在2000年,J.W.Johnson等人使用SiO2/Gd2O3做为栅介质材料制作的GaNMOSFET,最高栅压达到7V,源漏击穿电压可达到80V,而且在栅压范围内表现出良好的调制效应;而后在2002年Kuan.WeiLee等设计制作的GaNMOSFET,使用液相淀积SiO2做栅介质材料,在栅压为4V和漏源电压为20V的情况下得到250mA/mm的漏极电流和48mS/mm的跨导;在2004年到2007年间,Y.Irokawa、W.Huang、Hcon-BokLee、YukiNiiyama等人相继报道了其所研制成功的GaNMOSFET;到了2008年反型沟道GaNMOSFET研制成功,该MOSFET以Al2O3做栅介质,并得到2.8V的阈值电压以及4×10-13A/μm的关断漏电流;高功率常关GaNMOSFET器件则在2009年研制成功,电流可达2.2A,最高工作温度可达到250℃。
[3]国内方面相关报道比较少,仅在2005年由邹晓等提出了一种半经验的GaNn-MOSFET反型沟道电子迁移率模型。
[3]总而言之,由于工艺技术水平的关系,国内的MOSFEET实际器件研究与开发尚处于探索阶段。
因此对GaNMOSFET进行器件模拟,具有很大的实践指导意义。
1.2.2GaN器件的存在问题
目前,GaNMOSFET器件的研究尚处于探索阶段,其研发过程中尚有许多难题没有解决。
首先,在工艺方面,一直没有很好的方法解决GaN材料的p型掺杂。
国外方面,H.Amaano等人和S.NaKamura等人先后分别利用低能电子束照射和快速热退火方法获得p型GaN材料[3]。
国内方面,通过调整温度、压力和Mg掺杂量等参数优化材料掺杂效果来获得p型GaN材料。
其次,在于栅介质的选择,栅介质材料对器件性能有重要的影响,近几年已报道过的栅介质材料主要有AlN,Ga2O3(Gd2O3),MgO,SiO2,MgO,SiNx,Sc2O3以及它们的化合物,这些材料的界面态密度均达到了1011cm-2eV-1数量级,高的界面态密度,严重影响器件性能。
在GaN材料的计算机模拟仿真方面,GaN材料参数不完善,模型不够先进,与GaN器件的现有研究状况脱节,导致模拟结果不准确。
2GaN材料特性及MOSFET器件概述
2.1GaN材料特性
2.1.1GaN材料的基本特性
GaN不存在与自然界中,最早由人工合成。
它的化学性质极其稳定,熔点约为1700℃,是一种坚硬的高熔点材料。
一般GaN晶体有三种结构:
六角纤锌矿2H型结构(α相)、立方闪锌矿3C型结构(β相)和面心立方结构(NaCl结构)。
在大气压力下,GaN晶体通常是六角纤维锌矿2H型结构。
该结构的GaN晶体一个晶胞内有四个原子,原子体积大约为GaAs的一半。
由于GaN晶体的性质稳定,硬度高,所以它又是一种良好的涂层保护材料。
在室温下,GaN性质稳定,不溶于水、酸和碱,即使在热的碱溶液中溶解速度也非常慢。
NaOH、H2SO4、H3PO4能较快的腐蚀质量差的GaN,对一些质量不高的GaN晶体,可以用这种方法进行缺陷检测。
高温时,GaN晶体在N2中表现稳定,但在HCl和H2气氛中呈现不稳定特性。
表2.1中给出了室温GaN材料的主要特性参数。
表2.1几种重要的半导体材料的部分参数
材料
Si
GaAs
GaN
带隙类型
间接
直接
直接
禁带宽度/eV
1.12
1.43
3.45
熔点/℃
1420
1238
1700
密度/g.cm-1
2.328
6.095
晶格常数/nm
0.543
0.565
0.451
介电常数
11.8
12.5
8.9
热膨胀系数
/×10-6.C-1
2.6
5.9
5.6
电阻率/Ω·cm
1000
103
>1010
热导率/W.cm-1.K-1
1.5
0.46
1.3
电子饱和速率
/×10-7cm.s-1
1.0
2.0
2.2
电子迁移率/cm2V-1s-1
1350
8500
900
空穴迁移率
/cm2V-1s-1
600
400
850
对表2.1给出的GaN、Si和GaAs的主要参数进行比较,可以看出GaN材料在高温高频以及大功率器件等领域有极强的优势。
2.1.2GaN材料的电学特性
半导体材料的电学特性是影响器件的主要因素。
非故意掺杂的GaN在各种情况下都呈n型,最好的样品的电子浓度约为4×1016/cm3,一般情况下所制备的p型氮化镓都是高补偿的。
采用Mg作为掺杂剂,在800℃左右和在N2的气氛下进行高温退火,可以实现GaN材料的P型掺杂。
未掺杂载流子浓度可控制在1014~1020/cm3范围,通过P型掺杂工艺和Mg的低能电子束辐照或热退火处理,可以将掺杂浓度控制在1011~1020/cm3范围。
很多研究小组从事氮化镓电学特性的研究工作,其中中村报道了GaN最高迁移率数据在液氮温度和室温下分别为μn=1500cm2/Vs和μn=600cm2/Vs,相应的载流子浓度为n=8×1016cm-3和n=4×1015cm-3。
[3]
2.2GaNMOSFET器件概述
2.2.1GaNMOSFET器件结构
器件结构和物理模型参数是计算机器件模拟的重要部分,结构、模型的选取和参数的准确与否对仿真结果有重要的影响。
GaNMOSFET器件结构如图2.1所示,
图2.1GaNMOSFET结构示意图[3]
GaN基MOSFET器件与Si基MOSFET器件在制作工艺上相似,主要工艺包括衬底层的生长;源漏区的掺杂;栅介质层的选取;器件隔离;欧姆接触和栅极肖特基接触等等。
2.2.1GaNMOSFET模型参数
作为新兴的化合物半导体材料,GaN材料的研究尚未成熟,目前还没有标准的GaN材料模型供参考使用。
对半导体特性影响较大的材料参数主要有:
禁带宽度、介电常数、载流子有效质量和有效状态密度等。
1.禁带宽度
描述半导体特性的最重要参数是禁带宽度,而禁带宽度又受温度影响。
禁带宽度和温度的关系可以用公式(2-1)表示。
(2-1)
其中Eg,0是在绝对零度即TL=0时的值。
利用仿真软件ATLAS给出的GaN的禁带宽度计算公式计算仿真过程中GaN的禁带宽度,计算公式如下:
(2-2)
2.介电常数
300K时,GaN的介电常数是8.9。
3.载流子有效质量
对GaN材料来说,电子有效质量为mn*=0.2m0,重空穴有效质量为mp*=0.8m0。
其中,m0是自由电子质量。
4.有效状态密度
有效状态密度可以根据下式来计算:
(2-3)
(2-4)
其中MC、MV表示等效的能量最小值。
3仿真工具MATLAB与Pspice
3.1仿真工具MATLAB简介
MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件,主要包括MATLAB和Simulink两大部分。
它主要用于算法开发、数据分析、数据可视化以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。
MATLAB功能强大,利用其可以进行数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真,并且以上诸多功能可以集成在一个易于使用的视窗环境中,从而在众多科学领域得到广泛的应用。
与传统非交互式程序设计语言(如C、Fortran)相比,MATLAB编辑模式改革创新,代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
作为三大数学软件之一,MATLAB功能齐全,应用广泛。
工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域中均可以利用MATLAB实现数值的快速运算,模型的迅速建立。
与之相对应的是MATLAB的矩阵运算、函数和数据绘制、算法实现、用户界面创建、编程语言互联等多项功能。
MATLAB的基本数据单位是矩阵,它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似,利用MATLAB来计算问题时相比同类语言,如C、FORTRAN等更加简捷方便。
在最新的版本的MATLAB中加入了对C、FORTRAN、C++等语言的支持,用户在使用MATLAB时可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用,也可以直接从网络上下载程序使用。
3.2仿真工具Pspice简介
随着计算机技术的飞速发展和大规模集成电路的广泛应用,电子产品不断地更新换代,电子电路计算机辅助设计(CAD,ComputerAidedDesign)技术也得到迅速的发展。
在大规模电路CAD领域中,发展得最早、最成熟和使用的最广泛的是计算机辅助分析(CAA)。
而在这方面最具代表性的电路分析程序是SPICE和ASTAP。
SPICE(SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis)软件于1972年由美国加州大学伯克利(Berkeley)分校研发而成,它使用改进的节点电压法列写方程,主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。
SPICE的正式版SPICE2G在1975年正式推出,此后的几十年间,SPICE不断发展,目前已成为最为流行的电子电路仿真软件。
SPICE和PSPICE软件可以对模拟电路进行非线性直流分析和瞬态分析、线性交流分析、不同温度分析和容差分析等多种分析。
同样可以对数字电路和数字/模拟混合电路进行分析和优化;所分析的电路中,包括了各种常用的电子电路元器件。
所以说,SPICE是一个多功能的电路模拟试验台,并已成为一种工业标准工具。
PSPICE功能强大,集成度高,具有电路图绘制、电路模拟仿真、图形处理和元器件符号制作等多种功能,它以图形方式输入,并能自动进行电路检查、生成图表、模拟和计算电路,图形界面友好,操作简单,易学易用且其进行电路仿真时快速准确,实用性强,仿真效果好。
PSPICE是计算机辅助分析设计中的电路模拟软件。
在设计的电路硬件实现之前,利用PSPICE先对电路进行模拟分析,可以为电路设计人员节省了大量的时间,同时节省了各种仪器设备,且PSPICE仿真结果与生产产品一致性好、可靠性高,从而提高了产品的更新率、缩短了新产品投放市场时间。
3.3MATLAB和Pspice的联合使用
目前所做的对GaN的计算机模拟仿真多以SILVACO软件为主,利用其中的Athena/Atlas软件包,可以方便的对GaN材料进行工艺和器件仿真。
PSPICE软件未对GaN材料建库,在利用PSPICE软件对GaN材料进行MOSFET仿真时,需要建立GaNMOSFET的器件模型。
而利用PSPICE软件提供的模型编辑器建立模型之前,用MATLAB软件方针得到GaNMOSFET的特性曲线,然后利用描点法即可在PSPICE软件中建立GaNMOSFET的器件模型,即建立一个各项参数体现GaN材料性质的MOSFET。
GaNMOSFET的PSPICE模型创建过程:
1利用MATLAB仿真得到GaNMOSFET的特性曲线;
2在GaNMOSFET的特性曲线上选取合适点代入PSPICE软件的ModelEditor,建立PSPICE模型;
3利用所建PSPICE模型得到GaNMOSFET的特性曲线,对比曲线的不同。
4GaNMOSFET器件模拟
4.1GaNMOSFET器件结构及基本特性模拟
GaNMOSFET器件的结构如图4.1所示,器件设计在厚度为2μm的p型GaN材料上,以Mg作为受主杂质,浓度取为1017cm-3,沟道掺杂浓度同样选取为1017cm-3。
采用SiO2作为栅介质,其厚度为0.01μm。
采用多晶硅做栅极材料,多晶硅为1015cm-3浓度掺杂的n+-poly-Si。
栅长取为1μm,器件宽度设为5μm。
在模拟过程中,GaN的电子迁移率μn设置为900cm2/Vs。
图4.1GaNMOSFET结构示意图
PSPICE中MOSFET器件参数有42个,其中几个重要参数之一是阈值电压Vth。
阈值电压使源端半导体表面达到强反型的栅压,是区分MOS器件导通和截止的分界点。
阈值电压受栅极电容、沟道掺杂浓度和栅极金属功函数等的影响,其计算公式如下所示:
(4-1)
(4-2)
其中VFB是平带电压,Co为栅氧电容,
为费米势,
为功函数差。
费米势的表达式如下所示:
(4-3)
公式(4-3)中,N为电离杂质浓度,ni为本征载流子浓度。
功函数差的表达式如下所示:
(4-4)
半导体材料中本征载流子浓度ni的计算公式可以表示为:
(4-5)
对于GaN材料,公式(2-5)和公式(2-6)可以简化为:
(4-6)
(4-7)
MOSFET器件的另一个重要参数是漏电流ID,当栅极电压绝对值大于阈值电压绝对值时,栅极下面的反型层形成导电沟道,源极和漏极接通,加上电压后即可产生漏源电流。
对应不同的源漏电压情况,MOS
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