氮化鎵器件介紹與仿真

本推文簡述氮化鎵器件，主要包括GaN HEMT和二極管，幫助讀者了解Sentaurus TCAD仿真氮化鎵器件的相關內容。

PART 01

GaN材料與器件介紹

GaN材料介紹

GaN材料廣泛用于射頻器件，特別是高頻應用，目前在5G通訊技術的應用中有著重大意義。此外，GaN材料在電力電子應用中也逐漸得到廣泛應用，例如新能源汽車充電樁，快速充電器等消費類電子領域。其次，GaN的禁帶寬度很大，其不但具有高擊穿電場、高熱導率和高電子飽和速度等優點，而且化學性質穩定，抗輻照能力強，非常適合在高溫、高頻和大功率環境下應用。

同時，GaN的高熱導率有助于快速釋放器件工作時產生的熱量，這樣有效降低了器件因散熱問題發生失效的概率。GaAs的電子遷移率高達8500cm2/V·s，雖然具有很好的高頻特性，但其擊穿電場只有600kV/cm，限制了其在高溫大功率下的應用。SiC擊穿電場高達3.5MV/cm，但因自身電子遷移率過低，限制了其在高頻環境下的應用。而GaN材料除了具有以上優點，其他各項參數也都具備優勢且很均衡，此外它還具有化學性質很穩定、抗輻射和耐腐蝕能力強的特點。因此GaN在制備高頻大功率器件方面具有巨大的潛力和廣闊的前景，同時也很適合制作高溫和抗輻照的光電子器件。GaN器件由于結構中包含可以實現高速性能的異質結二維電子氣，相比于SiC器件擁有更高的工作頻率，但可承受電壓更低，所以GaN器件在高頻率、小體積、成本敏感和功率要求低的電源領域，如輕量化的消費電子電源適配器、無人機用超輕電源和無線充電設備等。

GaN HEMT器件介紹

GaN器件具有非常小的開態電阻，從而可以進一步提高器件的輸出功率，滿足了器件高功率的要求。由于橫向二維電子氣結構可提供很高的電荷密度和遷移率，這使得GaN器件具有很大的電子飽和速度，并且極高的飽和速度使其具備良好的頻率特性。

如下圖，對于增強型GaN器件，柵源電壓Vgs≤0V時，即在Gate端加負電壓，排掉電子，阻斷二維電子氣使器件關斷，高于閾值電壓的偏置電壓開通二維電子氣實現器件的導通。不像傳統MOS帶有柵氧，GaN器件的Gate端沒有柵氧，沒有柵電容的充放電過程，使其驅動速度非?？?，適合高頻大功率場合的應用。

PART 02

GaN HEMT器件仿真

耗盡型/常開型GaN HEMT器件仿真

常開型GaN HEMT器件轉移和輸出特性

常開型GaN HEMT器件擊穿特性

增強型/常關型GaN HEMT器件仿真

對于一般的GaN FET的Gate需要加負壓才能使溝道不連續，變為關斷狀態，在Vg=0時溝道依舊處于開啟的狀態，所以GaN是常開器件。但是如果Gate使用摻雜Mg的GaN作為P+柵極，在Vg=0耗盡溝道，就可產生常關的晶體管。

PART 03

GaN二極管器件仿真

氮化鎵肖特基二極管仿真

對GaN摻入硅元素，可以實現N型摻雜，完成肖特基二極管結構的搭建。

對GaN肖特基二極管結構進行電性仿真時，需要加入非局域遂川、肖特基勢壘功函數……以完成GaN肖特基二極管正向特性掃描。

PART 04

Concentraion與NetActive

Concentraion與NetActive

在查看器件的濃度分布時，常常有DopingConcentrain和NetActive兩種不同的選項，但是一般不會同時出現，NetDoping一般用于表示經摻雜，Active一般用于表示已經激活的雜質分布，DopingConcentraion和NetActive都可以查看總的摻雜分布，如果施主摻雜濃度NA大于施主摻雜濃度ND，則摻雜類型顯示為P型，如果如果施主摻雜濃度ND大于施主摻雜濃度NA ，則摻雜類型顯示為N型。在新版本軟件中，Sde運行完成后往往找不到摻雜分布DopingConcentraion，此時則需要把如BoronConcentraion、PhosphorusConcentraion、ArsenicConcentraion改為BoronActiveConcentraion、PhosphorusActiveConcentraion、ArsenicActiveConcentraion，同樣地還有碳化硅中的P型區鋁元素摻雜AluminumActiveConcentraion、N型區氮元素摻雜NitrogenActiveConcentraion，氮化鎵中的N型區硅元素摻雜nSiliconActiveConcentraion、P型區鎂元素摻雜pMagnesiumActiveConcentraion等……選擇NetActive查看器件的雜質濃度分布情況。如果不確定摻雜元素，N型摻雜可以寫成NDopantActiveConcentraion，P型摻雜可以寫成PDopantActiveConcentraion。并且使用命令PDopantActiveConcentraion代替命令pMagnesiumActiveConcentraion，還可以解決低版本軟件不能P型鎂摻雜識別等問題。