高电子迁移率晶体管微波损伤仿真与实验研究

针对AlGaAs/InGaAs型高电子迁移率晶体管,利用TCAD半导体仿真工具,从器件内部空间电荷密度、电场强度、电流密度和温度分布变化分析出发,研究了从栅极注入1 GHz微波信号时器件内部的损伤过程与机理。研究表明,器件的损伤过程发生在微波信号的正半周,负半周器件处于截止状态;器件内部损伤过程与机理在不同幅值的注入微波信号下是不同的。当注入微波信号幅值较低时,器件内部峰值温度出现在栅极下方靠源极侧栅极与InGaAs沟道间,由于升温时间占整个周期的比例太小,峰值温度很难达到GaAs的熔点;但器件内部雪崩击穿产生的栅极电流比小信号下栅极泄漏电流高4个量级,栅极条在如此大的电流下很容易烧毁熔断。当注入微波信号幅值较高时,在信号正半周的下降阶段,在栅极中间偏漏极下方发生二次击穿,栅极电流出现双峰现象,器件内部峰值温度转移到栅极中间偏漏极下方,峰值温度超过GaAs熔点。利用扫描电子显微镜对微波损伤的高电子迁移率晶体管器件进行表面形貌失效分析,仿真和实验结果符合较好。     

高电子迁移率晶体管微波损伤仿真与实验研究

针对AlGaAs/InGaAs型高电子迁移率晶体管,利用TCAD半导体仿真工具,从器件内部空间电荷密度、电场强度、电流密度和温度分布变化分析出发,研究了从栅极注入1 GHz微波信号时器件内部的损伤过程与机理。研究表明,器件的损伤过程发生在微波信号的正半周,负半周器件处于截止状态;器件内部损伤过程与机理在不同幅值的注入微波信号下是不同的。当注入微波信号幅值较低时,器件内部峰值温度出现在栅极下方靠源极侧栅极与InGaAs沟道间,由于升温时间占整个周期的比例太小,峰值温度很难达到GaAs的熔点;但器件内部雪崩击穿产生的栅极电流比小信号下栅极泄漏电流高4个量级,栅极条在如此大的电流下很容易烧毁熔断。当注入微波信号幅值较高时,在信号正半周的下降阶段,在栅极中间偏漏极下方发生二次击穿,栅极电流出现双峰现象,器件内部峰值温度转移到栅极中间偏漏极下方,峰值温度超过GaAs熔点。利用扫描电子显微镜对微波损伤的高电子迁移率晶体管器件进行表面形貌失效分析,仿真和实验结果符合较好。     

高功率微波作用下高电子迁移率晶体管的损伤机理

本文针对高电子迁移率晶体管在高功率微波注入条件下的损伤过程和机理进行了研究,借助SentaurusTCAD仿真软件建立了晶体管的二维电热模型,并仿真了高功率微波注入下的器件响应.探索了器件内部电流密度、电场强度、温度分布以及端电流随微波作用时间的变化规律.研究结果表明,当幅值为20 V,频率为14.9 GHz的微波信号由栅极注入后,器件正半周电流密度远大于负半周电流密度,而负半周电场强度高于正半周电场.在强电场和大电流的共同作用下,器件内部的升温过程同时发生在信号的正、负半周内.又因栅极下靠近源极侧既是电场最强处,也是电流最密集之处,使得温度峰值出现在该处.最后,对微波信号损伤的高电子迁移率晶体管进行表面形貌失效分析,表明仿真与实验结果符合良好.     

基于感光栅极GaN高迁移率晶体管的新型探测器制备与优化（英文）

利用GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)的栅控特性和锆钛酸铅(PZT)铁电薄膜的光伏效应,在HEMT器件的栅极处沉积一层PZT铁电薄膜,提出了一种新型的(光敏感层/HEMT)探测结构.为制备出光伏性能优异的薄膜,对不同的溅射功率和退火温度制备的PZT铁电薄膜进行表面形貌和铁电性能分析.发现200 W溅射功率、700℃的退火温度制备的薄膜表面晶粒生长明显,剩余极化强度为38.0μC·cm-2.工艺制备GaN基HEMT器件并把PZT薄膜沉积到器件栅极上.在无光和365nm紫外光照射下对有、无铁电薄膜的HEMT探测器的输出特性进行测试.结果显示,在光照时,有铁电薄膜的HEMT器件相较于无光时,源-漏饱和电压最多降低3.55V,饱和电流最多增加5.84mA,表明新型感光栅极HEMT探测器对紫外光具有优异的探测效果.为实现对新型探测器的结构进行优化的目的,对栅长为1μm、2μm和3μm等不同栅长的探测器进行光照测试.结果表明,在紫外光照射下,三种探测器的漏极饱和电流分别为23mA、20mA和17mA,所以栅长越长器件的饱和电流越小,探测性能越差.     

氮化镓基感光栅极高电子迁移率晶体管器件设计与制备

GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)作为栅控器件,具有AlGaN/GaN异质结处高浓度的二维电子气(2DEG)及对表面态敏感等特性,在栅位置处与感光功能薄膜的结合是光探测器领域重要的研究方向之一.本文首先提出在GaN基HEMT栅电极上引入光敏材料锆钛酸铅(PZT),将具有光伏效应的铁电薄膜PZT与HEMT栅极结合,提出一种新的"金属/铁电薄膜/金属/半导体(M/F/M/S)"结构;然后在以蓝宝石为衬底的AlGaN/GaN外延片上制备感光栅极HEMT器件.最后,通过PZT的光伏效应来调控沟道中的载流子浓度和通过源漏电流的变化来实现对可见光和紫外光的探测.在365 nm紫外光和普通可见光条件下,对比测试有/无感光栅极的HEMT器件,在较小V_(gs)电压时,可见光下测得前者较后者的饱和漏源电流I_(ds)的增幅不下降,紫外光下前者较后者的I_(ds)增幅大5.2 mA,由此可知,感光栅PZT在可见光及紫外光下可作用于栅极GaN基HEMT器件并可调控沟道电流.     

高功率微波作用下金属氧化物半导体场效应管响应

采用基于半导体漂移扩散模型的数值模拟软件对高功率微波（HPM）作用下金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）的响应进行了数值模拟研究。对MOSFET在HPM作用下的输出特性以及器件内部响应进行了数值模拟。计算结果表明,在MOSFET栅极加载HPM后,随着注入HPM幅值的增大,会使得器件的正向电压小于开启电压,从而使得输出电流的波形发生形变。在器件内部,导电沟道靠近源极一端的电场强度最大,热量产生集中在这一区域。在脉冲正半周期时,温度峰值位于沟道源极一端,负半周期时,器件内部几乎没有电流,器件内的温度峰值在热扩散效应的影响下趋向于导电沟道中部。     

GaN高电子迁移率晶体管强电磁脉冲损伤效应与机理

提出了一种新型GaN异质结高电子迁移率晶体管在强电磁脉冲下的二维电热模型,模型引入材料固有的极化效应,高场下电子迁移率退化、载流子雪崩产生效应以及器件自热效应,分析了栅极注入强电磁脉冲情况下器件内部的瞬态响应,对其损伤机理和损伤阈值变化规律进行了研究.结果表明,器件内部温升速率呈现出"快速-缓慢-急剧"的趋势.当器件局部温度足够高时(2000 K),该位置热电子发射与温度升高形成正反馈,导致温度急剧升高直至烧毁.栅极靠近源端的柱面处是由于热积累最易发生熔融烧毁的部位,严重影响器件的特性和可靠性.随着脉宽的增加,损伤功率阈值迅速减小而损伤能量阈值逐渐增大.通过数据拟合得到脉宽τ与损伤功率阈值P和损伤能量阈值E的关系.     

F离子注入新型Al0．25Ga0．75N／GaNHEMT器件耐压分析

为了缓解AlGaN／GaNhighelectronmobilitytransistors（HEMT）器件n型GaN缓冲层高的泄漏电流,本文提出了具有氟离子注入新型Al0．25Ga0．75N／GaNHEMT器件新结构．首先分析得出n型GaN缓冲层没有受主型陷阱时,器件输出特性为欧姆特性,这样就从理论和仿真方面解释了文献生长GaN缓冲层掺杂Fe,Mg等离子的原因．利用器件输出特性分别分析了栅边缘有和没有低掺杂漏极时,氟离子分别注入源区、栅极区域和漏区的情况,得出当氟离子注入源区时,形成的受主型陷阱能有效俘获源极发射的电子而减小GaN缓冲层的泄漏电流,击穿电压达到262v通过减小GaN缓冲层体泄漏电流,提高器件击穿电压,设计具有一定输出功率新型A1GaN／GaNHEMT提供了科学依据．     

电磁脉冲对CMOS与非门的干扰和损伤效应与机理（英文）

利用Sentaurus-TCAD建立了CMOS与非门电路的二维电热模型,仿真研究了在电磁脉冲注入下,CMOS与非门电路产生的扰乱和损伤效应及其机理。结果表明,在EMP注入下,电路输出电压、内部的峰值温度呈周期性的"下降-上升",当注入功率较大时,EMP撤销后输出电压停留在异常值,PMOS源极电流增加,温度不断上升,最终烧毁在PMOS源极,这是因为器件内部产生了闩锁效应。随着脉宽的增加,损伤功率阈值减小而损伤能量阈值增大,通过数据拟合得到脉宽与损伤功率阈值和损伤能量阈值的关系。该结果可对EMP损伤效应进行评估并对器件级EMP抗毁伤加固设计具有指导作用。     

电磁脉冲对CMOS与非门的干扰和损伤效应与机理

利用Sentaurus-TCAD建立了CMOS与非门电路的二维电热模型,仿真研究了在电磁脉冲注入下,CMOS与非门电路产生的扰乱和损伤效应及其机理。结果表明,在EMP注入下,电路输出电压、内部的峰值温度呈周期性的“下降-上升”,当注入功率较大时,EMP撤销后输出电压停留在异常值,PMOS源极电流增加,温度不断上升,最终烧毁在PMOS源极,这是因为器件内部产生了闩锁效应。随着脉宽的增加, 损伤功率阈值减小而损伤能量阈值增大,通过数据拟合得到脉宽与损伤功率阈值和损伤能量阈值的关系。该结果可对EMP损伤效应进行评估并对器件级EMP抗毁伤加固设计具有指导作用。     

具有部分本征GaN帽层新型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管特性分析

为了优化传统Al GaN/GaN高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistors,HEMTs)器件的表面电场,提高击穿电压,本文提出了一种具有部分本征GaN帽层的新型Al GaN/GaN HEMTs器件结构.新型结构通过在Al GaN势垒层顶部、栅电极到漏电极的漂移区之间引入部分本征GaN帽层,由于本征GaN帽层和Al GaN势垒层界面处的极化效应,降低了沟道二维电子气(two dimensional electron gas,2DEG)的浓度,形成了栅边缘低浓度2DEG区域,使得沟道2DEG浓度分区,由均匀分布变为阶梯分布.通过调制沟道2DEG的浓度分布,从而调制了Al GaN/GaN HEMTs器件的表面电场.利用电场调制效应,产生了新的电场峰,且有效降低了栅边缘的高峰电场,Al GaN/GaN HEMTs器件的表面电场分布更加均匀.利用ISE-TCAD软件仿真分析得出:通过设计一定厚度和长度的本征GaN帽层,Al GaN/GaN HEMTs器件的击穿电压从传统结构的427 V提高到新型结构的960 V.由于沟道2DEG浓度减小,沟道电阻增加,使得新型Al GaN/GaN HEMTs器件的最大输出电流减小了9.2%,截止频率几乎保持不变,而最大振荡频率提高了12%.     

Damage effect and mechanism of the GaAs high electron mobility transistor induced by high power microwave

In this paper, we present the damage effect and mechanism of high power microwave(HPM) on Al GaAs/GaAs pseudomorphic high-electron-mobility transistor(p HEMT) of low-noise amplifier(LNA). A detailed investigation is carried out by simulation and experiment study. A two-dimensional electro-thermal model of the typical GaAs p HEMT induced by HPM is established in this paper. The simulation result reveals that avalanche breakdown, intrinsic excitation, and thermal breakdown all contribute to damage process. Heat accumulation occurs during the positive half cycle and the cylinder under the gate near the source side is most susceptible to burn-out. Experiment is carried out by injecting high power microwave into GaAs p HEMT LNA samples. It is found that the damage to LNA is because of the burn-out at first stage p HEMT. The interiors of the damaged samples are observed by scanning electron microscopy(SEM) and energy dispersive spectrometer(EDS). Experimental results accord well with the simulation of our model.     

双极晶体管微波损伤效应与机理

结合Si基n⁺-p-n-n⁺外延平面双极晶体管, 考虑了器件自热、高电场下的载流子迁移率退化和载流子雪崩产生效应, 建立了其在高功率微波(high power microwave, HPM)作用下的二维电热模型. 通过分析器件内部电场强度、电流密度和温度分布随信号作用时间的变化, 研究了频率为1 GHz的等效电压信号由基极和集电极注入时双极晶体管的损伤效应和机理. 结果表明集电极注入时器件升温发生在信号的负半周, 在正半周时器件峰值温度略有下降, 与集电极注入相比基极注入更容易使器件毁伤, 其易损部位是B-E结. 对初相分别为0和π的两个高幅值信号的损伤研究结果表明, 初相为π的信号更容易损伤器件, 而发射极串联电阻可以有效的提高器件的抗微波损伤能力.     

C band microwave damage characteristics of pseudomorphic high electron mobility transistor

The damage effect characteristics of Ga As pseudomorphic high electron mobility transistor(p HEMT) under the irradiation of C band high-power microwave(HPM) is investigated in this paper. Based on the theoretical analysis, the thermoelectric coupling model is established, and the key damage parameters of the device under typical pulse conditions are predicted, including the damage location, damage power, etc. By the injection effect test and device microanatomy analysis through using scanning electron microscope(SEM) and energy dispersive spectrometer(EDS), it is concluded that the gate metal in the first stage of the device is the vulnerable to HPM damage, especially the side below the gate near the source. The damage power in the injection test is about 40 d Bm and in good agreement with the simulation result. This work has a certain reference value for microwave damage assessment of p HEMT.     

一种新的磷化铟复合沟道高电子迁移率晶体管小信号物理模型

针对磷化铟(InP)复合沟道高电子迁移率晶体管(HEMT)的特点，对常规单沟道HEMT的小信号物理模型进行了修正，提出了一种新的用于复合沟道HEMT的小信号物理模型，用商用器件模拟软件ISE(integrated systems engineering)对其进行了仿真验证，对比了实测和仿真的I-V特性及转移特性曲线，重点研究了在InGaAs/InP双层沟道中考虑量子效应后的电场和电流密度随着不同栅电压的变化趋势，研究结果表明，由于在沟道中存在量子效应，在栅下靠源端低电场区域，电流主要分布在InGaAs沟道 关键词： 高电子迁移率晶体管 复合沟道 物理模型 磷化铟     

高线性度Al_xGa_(1-x)N/Al_yGa_(1-y)N/GaN高电子迁移率晶体管优化设计

对新型复合沟道AlxGa1-xN/AlyGa1-yN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)进行了优化设计.从半导体能带理论与量子阱理论出发,自洽求解了器件层结构参数对器件导带能级以及二维电子气(2DEG)中载流子浓度和横向电场的影响.用TCAD软件仿真得到了器件的层结构参数对器件性能的影响.结合理论分析和仿真结果确定了器件的最佳外延层结构Al0.31Ga0.69N/Al0.04Ga0.96N/GaNHEMT.对栅长1μm,栅宽100μm的器件仿真表明,器件的最大跨导为300mS/mm,且在栅极电压-2—1V的宽范围内跨导变化很小,表明器件具有较好的线性度;器件的最大电流密度为1300mA/mm,特征频率为11.5GHz,最大振荡频率为32.5GHz.