GaN基HEMT红外探测器力电耦合机制理论模型的仿真研究

发布时间：2017-04-05 15:08

  本文关键词：GaN基HEMT红外探测器力电耦合机制理论模型的仿真研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：红外探测器是红外技术的核心,新型室温红外探测器更是目前研究的热点领域。随着近些年人们对红外辐射的了解加深,深刻了解它在生活各个领域的应用优势,所以人们迫切的去提高探测手段—研制出不同机理的红外探测结构。鉴于这种情况,对红外探测器的研发迫在眉睫。本文则基于气体直接吸收红外产生气压进行探测的红外探测器原理为基础,设计红外探测器结构,进行新型室温红外探测器的理论研究及有限元分析。首先,针对新型红外探测器的工作原理进行详细的分析。详细的分析了红外气体作为吸收介质吸收红外辐射的机理,按工作阶段对理论模型进行推理:首先气体吸收红外辐射导致体积增加产生压强,然后压电薄膜受到气体压强均匀应力产生机械形变,最后GaN/AlGaN异质结产生压电极化,分析其极化效应模型,计算界面电荷,形成GaN HEMT电流输出。其次,采用ANSYS软件对本文的关键结构GaN/AlGaN压电薄膜进行模拟,首先针对其机械特性,分析其应力以及尺寸对机械形变量以及内部应力分布的影响进行分析,在四边固定的条件下,对压电薄膜施加由于气体产生的均匀应力,分析弹性敏感薄膜形变量与机械应力的数值关系,以及改变薄膜尺寸对该结构的影响。然后对薄膜的压电特性进行仿真,并给出薄膜在应力条件下薄膜电势分布图,分析了薄膜电势及形变量的影响因素。再次,用Sentaurus TCAD对红外探测器关键结构-电学信号输出元件GaN/AlGaN HEMT进行仿真研究,设计器件结构模拟方案,网格化分方案,仿真器件的直流输出特性,如伏安特性曲线,转移特性曲线,并提出对器件的优化方案:改变器件的结构参数如:AlGaN势垒层厚度,掺杂浓度,极化电荷量,肖特基势垒高度,Al组分等参数,分析对其电流的影响,对器件进行深入分析。最后,系统的总结红外探测器工作过程,量化红外气体吸收红外辐射产生的温度变化,进而计算气体产生的压强,以及其对薄膜施加应力,以及HEMT输出电流进行拟合,得出输出电流与红外辐射输入功率之间的关系,电流与输入功率之间保持良好的线性关系,实现了红外探测器对红外辐射的探测能力。
【关键词】：GaN/AlGaN HEMT Sentaurus TCAD ANSYS 输出电流 压电效应
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN215
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-17
• 1.1 红外探测器的发展趋势9-10
• 1.2 红外探测器的国内外研究现状10-15
• 1.3 本论文的研究内容15-17
• 第2章 新型红外探测器的工作原理17-35
• 2.1 红外探测器的工作原理17-19
• 2.2 气体吸收红外辐射的推理及其计算19-22
• 2.2.1 气体吸收红外辐射的原理与条件19-21
• 2.2.2 辐射与腔内压强变化关系：21-22
• 2.3 弹性敏感薄膜的研究及计算22-28
• 2.3.1 薄膜形变分析22-26
• 2.3.2 压电薄膜影响因素理论解析26-28
• 2.4 GaN HEMT材料性质及工作原理28-34
• 2.4.1 Al_xGa_(1-x)N/GaN材料特性28-31
• 2.4.2 AlGaN/GaN异质结的物理特性31-33
• 2.4.3 AlGaN/GaN HEMT工作原理33-34
• 2.5 本章小结34-35
• 第3章 新型室温红外探测器结构设计35-49
• 3.1 GaN/AlGaN压电薄膜的设计35-43
• 3.1.1 弹性薄膜的静态特性36-41
• 3.1.2 弹性敏感薄膜动态特性41-43
• 3.2 GaN HEMT结构设计43-48
• 3.2.1 sentaurus TCAD的介绍43-45
• 3.2.2 结构设计过程45-48
• 3.3 本章小结48-49
• 第4章 器件仿真以及结构优化49-61
• 4.1 器件的直流特性模拟结果49-53
• 4.2 AlGaN/GaN HEMT器件结构优化53-59
• 4.3 器件的小信号特性分析59-60
• 4.4 本章小结60-61
• 结论61-63
• 参考文献63-67
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文67-69
• 致谢69

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