1、InP基HEMT器件的基本特性仿真作者：張超 程超 夏鵬輝 楊興業(yè)來源：卷宗2017年第10期摘 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，對其的研究早已成為熱門，并且已取得很好的進展，被視為極其有競爭力的能實際應(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 InP 基 HEMT 器件的基本特性進行了仿真，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，并通過改變相關(guān)參數(shù)，

2、研究了部分因素對器件的影響。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，以其獨特的高遷移率、低噪聲、高增益特性，在國防航天、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，對器件的工藝設(shè)計有著重要的意義。目前，國內(nèi)外對 InP 基 HEMT 進行了制備上的大量研究，但是對器件模型以及仿真平臺的研究還有大量的工作，以及其他技術(shù)和基礎(chǔ)科學(xué)上的研究有待進一步進行。本文的工程中，采用 Sentaurus TCAD 半導(dǎo)

3、體器件模擬仿真軟件，針對 InP 基HEMT 建立流體力學(xué)模型的模擬仿真平臺，通過觀察分析仿真的結(jié)果，為化合物半導(dǎo)體器件的進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)的漂移擴散模型和適合深亞微米器件的流體力學(xué)模型。出于計算效率的原因，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。并對其進行了分析研究。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

4、流特性，結(jié)果顯示該模型能夠很好的對目標(biāo)器件進行特性上的仿真。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型柵，其次為12nm厚InAlAs厚勢壘層，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)值也會變大，輸出特性的值會減小。因此，柵槽深度對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

5、深度對各種參數(shù)的影響，從而在器件的實際制作中結(jié)合工藝制作相應(yīng)的尺寸。不同柵槽寬度對器件特性的影響可由圖 4 和圖5 顯示。根據(jù)仿真過程發(fā)現(xiàn)，柵槽寬度對器件的轉(zhuǎn)移特性和跨導(dǎo)有很大影響。沒有合適的柵槽寬度，會得到很不理想的特性曲線。經(jīng)過不斷的嘗試，最終得到合適的柵槽寬度。由仿真結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，柵槽寬度對輸出特性的影響并沒有跨導(dǎo)那么大。仿真結(jié)果符合實際。在實際柵槽腐蝕中，柵槽寬度很難控制，往往材料在橫向上是相同的，腐蝕液很容易擴散，因此實際的腐蝕寬度很難把握，而縱向是異種材料，通過選擇腐蝕比較容易控制柵槽的縱向深度。如圖6 所示，柵極勢壘值對轉(zhuǎn)移特性和跨導(dǎo)的影響僅限于增大減小閾值電壓，對跨導(dǎo)的大小并沒有

6、影響。從圖7可以看出，對于輸出特性，不同勢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，勢壘的不同使柵極電壓對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時的頻率。最高振蕩頻率fmax時的是晶體管的單向化功率增益為1時的器件工作頻率，也是器件所能進行功率

7、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時的fmax和ft均大于1nm和5nm時，即表明，柵槽深度在一個合適值的時候，fmax和ft才會達(dá)到最大值，而且柵槽深度不應(yīng)該過小，也不應(yīng)該過大，應(yīng)處于一個合適的區(qū)間。這一仿真結(jié)果對實際器件研發(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)的工作可進一步放在 HEMT的柵槽。應(yīng)進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際器件可能有一定差異，為更精確的模擬器件，還應(yīng)該進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