用于毫米波 (mmW) GaN HEMT 器件的基于 TCAD 的协同设计方法

毫米波技术领域的不断进步因其波长减小和频带宽而对无线通信系统做出了贡献。这使制造商能够设计更小但性能更高的组件。氮化镓已证明自己在该领域是一种很有前途的半导体，其目标应用包括高功率放大器、宽带放大器和5G无线网络。

然而，随着基于GaN HEMT(高电子迁移率晶体管)的器件的推出，这些特性使其适用于各种下一代毫米波电路。GaN 半导体具有宽带隙、高饱和电子速度和高击穿电压，使其成为可用于高功率、高效率和宽工作带宽电路的可靠半导体材料。

由于 GaN 已被证明是磷化铟和砷化镓基器件的更好、更有效的替代品，因此关于毫米波 HEMT 的设计和构造的可用数据不多。这些 HEMT 器件的布局一直是设计阶段的障碍，以开发具有更高效率的各种电源系统。

在研究论文 [1] 中，“基于计算建模的器件设计用于改进 GaN HEMT 的毫米波性能和线性度”，研究人员展示了使用 TCAD 软件设计具有计算建模的毫米波 GaN HEMT 器件以提高性能和这些设备的线性度。除此之外，科学家们还研究了 AlN/GaN HEMT 和 AlGaN/GaN HEMT 以研究非线性行为。

设计毫米波 (mmW) GaN HEMT 器件时的权衡取舍

据研究人员称，现有的工作在射频功率器件中使用基于 TCAD 的设计有限，而它们仅独立处理特定参数以增强直流和击穿性能。最近的报告表明，在最大化用于毫米波应用的 HEMT 的 RF 品质因数参数方面的研究有限，同时还审查了设计、性能和非线性权衡。

所做的工作仅限于大信号分析，但没有报告用于毫米波应用的 RF HEMT 设备的小信号建模。这项新研究通过对设计参数的比较分析来研究射频性能，例如 AlN 和 AlGaN 势垒的势垒类型、横向缩放和接触电阻。在之前的报告中，缺少跨导改进与其他设计方面的相关性，试图解决这一差距。

在 A. Soni 和 M. Shrivastava 所做的工作中，本文介绍了射频 HEMT 设计的设计策略、工作中使用的计算框架、开发的方法和设计见解，以了解缓冲层和通道层对毫米波的影响性能，最后讨论设计参数。

RF HEMT 器件的设计策略

用于测量器件电流可以被栅极调制的最大频率的器件截止频率方程表示对应于器件载流子传输的总延迟。

公式 1：器件截止频率的表达式

其中 g m是跨导，g d是输出电导，R s和 R d是源极和漏极电阻，C gs和 C gd是栅源和栅漏电容。

总延迟由三个部分组成——内在延迟、寄生延迟和外在延迟。每个延迟分量都会影响器件的频率性能，这是设计 RF HEMT 器件时需要考虑的重要因素。内在和外在延迟由器件跨导和电容控制，外在延迟是器件寄生电阻和输出电导的函数。为了有效地设计 RF GaN HEMT 器件，有必要了解这些延迟分量对器件物理参数和偏置条件的影响。

除了延迟之外，器件的非线性性能也是设计方法的一个关键因素，它受短沟道器件缓冲区的固有电阻率影响。器件协同设计方法将通过模拟表面陷阱对器件截止频率的影响来帮助研究物理行为。

用于协同设计的 TCAD 软件计算框架

作为协同设计方法的一部分，研究人员选择研究中使用的器件结构，。可以看出，当启用流体动力学和热力学传输模型时，载流子传输承认载流子和晶格加热。C 型掺杂引起的缓冲陷阱导致雪崩行为，可以预测击穿电压。为了计算击穿电压，在栅极施加关态应力时，漏极电流限制为 1mA/mm。

缓冲层和通道层的构建

1. GaN 的设计：尽管是高压器件的关键参数，但 GaN 缓冲层在设计 RF HEMT 器件时并未被视为重要元素，而碳掺杂缓冲层用于大多数高压 HEMT 堆栈. 缓冲层有一个碳掺杂的 GaN 层，它位于通道和 UID 缓冲区之间。在 C 掺杂中，在较高的漏极偏置电压下会降低缓冲漏电流，从而提高系统的击穿电压。C 型掺杂中的寄生电容与缓冲层厚度是分开的，因为深放置的缓冲层对通道的放电或充电没有作用。

2. 沟道背景掺杂的重要性：在 GaN 缓冲器的高无意掺杂 (UID) 中，寄生导电路径很可能导致漏源漏电流。当通道中存在电流泄漏时，热电子往往会扩散出通道，这会导致通道限制恶化。这反过来又减少了可用于通道电容充电的总漏极电流，从而导致额外的延迟分量。

不同类型的图层设计

表面态和非线性：由于 HEMT 中的 2DEG 对表面态高度敏感，因此应用了虚拟门的概念，其中虚拟门的形成归因于电子的俘获以减少表面上的净正电荷。在这里，由此产生的场栅极会产生热载流子，这些载流子有可能使表面陷阱电离，并可能导致 2DEG 及其周围的耗尽。

势垒层设计和漏极场引起的 F T漂移：势垒层的设计是各种重要参数的重要组成部分，例如跨导、栅极泄漏、2DEG 片密度和高频工作时的器件线性度。在整个实验过程中，器件的射频性能与栅极长度缩放一起进行了研究。

结论

从上述模型中，使用经过精心计算和基于物理的方法，研究了使用 TCAD 软件成功实施设计指南。在模拟过程中，观察到电离表面陷阱在漂移区上方 GaN 表面上的扩散随着漏极场的增加而增加。

然而，GaN HEMT 在减小器件尺寸的同时仍然面临两个问题——捕获效应和自热，这会导致电流崩塌和扭结效应，从而降低器件性能。由于在生长和器件加工过程中引入的晶体缺陷，俘获效应发生在器件的不同位置。

这就是为什么优化材料质量和相关工艺技术对于最大限度地减少捕获效应很重要。尽管 GaN HEMT 仍然是高功率毫米波应用的有吸引力的电子器件，但其鲁棒性和可靠性仍在研究中，因为按比例缩放的材料和器件需要展示高稳定性、可重复性和均匀性。