InP基HEMT器件非线性模型研究

发布时间：2020-06-04 16:00

【摘要】：InP基高电子迁移率晶体管(HEMT)具有优异的电子迁移率、噪声、增益和功率特性,成为最具竞争力的高频半导体器件之一,广泛应用于国防航天、空间探测以及卫星遥感等军民空间领域之中。器件模型是连接制备工艺到实际应用的桥梁,要求完成对电路性能的准确预测和可实施性评估。针对InP基HEMT辐照环境应用,精确的器件辐照模型可正确预估辐照对集成电路芯片造成的偏差,并指导抗辐照冗余设计。本论文建立了InP基HEMT器件常规工作状态非线性等效电路模型并针对电子辐照建立了辐照直流模型。具体研究成果如下:1.InP基HEMT器件非线性等效模型建立。器件沟道电子浓度随着栅偏压增加而增加,最终因为固定的掺杂浓度达到饱和。本文采用双曲正切函数描述器件膝点电压随着栅电压的变化趋势。器件栅电容随着栅偏压先增加到峰值,而后会因为饱和沟道电流而逐渐减小。本文采用分段函数描述栅电容随着偏压的变化关系,引入三次多项式描述栅电容随着偏压下降的趋势。通过变量膝点电压的引入,模型直流特性拟合误差(e_(DC))减小1.02%;分段电容特性使得交流特性拟合误差在不同栅偏压下都有明显减小。改进的模型更加适合于InP基HEMT器件。2.InP基HEMT器件非线性辐照直流模型建立。通过研究不同剂量电子辐照对器件肖特基特性、转移特性和输出电流的影响,建立相应辐照模型。肖特基栅反向饱和电流及理想因子随着辐照因子的增加呈现指数增加的趋势;转移特性随着辐照剂量负向移动,且随着辐照剂量增加呈减小趋势;随着辐照剂量增加,输出电流特性中kink效应减弱。在InP基HEMT器件非线性半经验模型中,引入各参数与辐照因子变化的指数关系,建立了器件肖特基和转移特性模型;同时在模型中引入不同辐照剂量下Kink效应的斜率M建立了输出电流辐照模型,模型仿真与实测数据拟合良好。InP基HEMT器件大信号模型的建立有助于推进其毫米波集成电路的研制,其辐照模型更将促进器件及相关集成电路空间领域应用。
【图文】：

图 1.1 集成电路设计流程由于航空航天技术的快速发展，InP 基 HEMT 器件和相关集成电路已经开始在空间环境中广泛应用。然而空间环境中存在由有大量的电磁辐射和带电粒子，器件不可避免受到辐射影响，极大程度地降低了电子系统在空间运行中的可靠性。据统计，美国在 1973-1986 年发射的卫星中出现 1589 次故障，其中有70%与空间带电粒子有关，38.1%的损坏是由于辐射粒子对材料电子系统造成的[7, 8]。因此可知，器件辐照的研究对其在空间环境中的应用至关重要。为了相关集成电路在辐照空间中可以持续稳定的工作，我们必须研究清楚辐照对器件特性的影响，准确的预估器件的工作状态。在辐照工作环境下，InP 基 HEMT 器件的栅极泄漏电流、沟道二维电子气浓度等性能参数都将发生不同趋势或者不同程度的改变。目前，对器件辐照的研究主要集中在抗辐照材料研究，然而无论采取任何材料都不能完全抵消辐照效应的影响。器件性能的研究最终需要落实于相关集成电路设计，然而国内外至今并没有相关辐照电路的报道。因此研究器件辐照模型也是对器件辐照研究

InP 基 HEMT 器件工作原理中。另一方面，沟道层和隔离层接触时，由于沟道的禁带宽度窄，在界面成势阱，储存大量二维电子气形成导电沟道。隔离层使用未掺杂的 InAlAs ，其作用是减少势垒层电离杂质对沟道二维电子气产生库伦散射效应。随离层的厚度增大，散射效应对沟道二维电子气的影响减小。δ掺杂层采用掺杂，既可以增强栅极调控，又可以提高器件的击穿电压。肖特基势垒层金属形成肖特基接触，，实现对沟道电流的调控。增加其厚度和禁带宽度可加沟道电子浓度。然而由于宽禁带材料与沟道材料存在晶格失配，会增加中心，造成电子迁移率降低，因此势垒层通常与沟道材料保持晶格匹配。使用高掺杂浓度窄禁带宽度 InGaAs 半导体材料，目的是为了降低漏源欧姆电阻。
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN386

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本文编号：2696625