氮化镓基高电子迁移率晶体管建模:将器件物理与高压和高频电路设计联系起来外文翻译资料

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氮化镓基高电子迁移率晶体管建模:将器件物理与高压和高频电路设计联系起来

摘要：

随着氮化镓基高电子迁移率晶体管技术在高压和高频电路领域的应用越来越广泛。氮化镓基高电子迁移率晶体管具有优越的击穿电场、高电子迁移率和高温性能，是用作转换器高压开关和射频功率放大器有源元件的关键因素,。高压和高频的两种应用模式所设计的电路都需要是以物理为基础，精确的来描述非线性终端特性的紧凑型器件。

因为以实验为依据的HEMTs紧凑模型是目前唯一可用的模型，所以缺乏对器件的物理描述，这也成为理解关键器件与电路的相互作用和准确估计电路中器件行为的阻碍。本文试图从基本原理出发，建立基于物理的GaN HEMT紧凑模型，一方面器件的性能瓶颈可通过技术优化后的设计工具来确定，另一方面通过电路设计工具来研究细微的器件差别对电路性能的影响。

本论文的部分内容包括演示HEMTs紧凑模型和器件特性的功能的准确预测，例如终端DC电流和脉冲电流、电荷、小信号S参数、大信号开关特性、负载牵引、高压和射频器件的源牵引和功率扫描、互调失真和噪声系数。

本论文还旨在通过电路级评估，将GaN HEMT中载流子传输和电荷分布的器件物理概念与电路设计联系起来。在高压应用领域，针对氮化镓 DC-DC 转换器的开关特性进行基准化测试分析，用以了解器件电容、场板、温度和电荷俘获对开关转换速率的影响。在射频应用领域，将验证针对氮化镓功率放大器的大信号特征，研究其输出功率、效率和压缩特性来作为运算级的函数。通过测试低噪声放大器的噪声系数来估算器件级噪声源的贡献，并针对压控振荡器的开关频率和相位噪声特性进行验证，用以评估GaN HEMT技术的噪声性能。对射频转换器的转换效率和饱和非线性放大器的线性度的模型精度进行了评估。

这项工作的主要贡献是以基于物理的紧凑模型的形式向设备技术工程师和电路设计人员提供一个工具，他们可以使用它来评估新兴氮化镓技术的潜在优势和劣势。

第一章

1.1 GaN技术：现状和前景

自1958年集成电路(IC)发明以来，硅无疑是电子行业增长背后的驱动力。自1976年以来，在功率处理半导体器件方面，随着功率MOSFETs的双极结型晶体管(BJTs)的变体出现，已经满足了工业中开关功率转换应用的需求。许多创新的解决方案，如横向场效应晶体管、低密度金属氧化物半导体和垂直场效应晶体管，在效率、成本效益、尺寸和可靠性方面都满足了需求。尽管绝缘双极结型晶体管(IGBT)和超结型晶体管(俗称COOLMOS)等器件是被视为解决传统技术发展带来的功率处理效率收益递减问题的担忧，但最近碳化硅和氮化镓等替代半导体材料已成为高压市场利润空间的诱人选择。

自1962年耿氏二极管被发现以来，在功率传输领域中的射频频率范围内，基于GaAs 和磷化铟的III-V族半导体一直试图超过硅。从GaAs场效应晶体管、高电子迁移率晶体管(HEMTs)和异质结双极晶体管(HBTs)开始，这些器件在任何给定频段的频(从高频频段到毫米波)和功率密度水平上一直在推动射频前沿。由于GaN固有的高功率密度特性，即使在高频W波段(75~110 GHz)使用较少的无明显功率合成电路的宽外围器件，也能提供约30dBm的高功率能级，是一种很有前景的新技术。GaN是一种独特的III-V族系统，在GaN和AlGaN异质结构器件中具有宽禁带、高热容、高热导率、低导通电阻和高载流子迁移率。第一种氮化镓材料是1938年，Jusa和Hahn通过在热的镓上通入氨气而制成的。此后在GaN基电子方面取得了众多的研究突破和进展。最初，由于氮化物半导体其独特的性质，如直接可调谐带隙从6.2 ??(AlN)到0.7 ??(InN)，压电性，极化等，因而被认为是适合于光电子的候选材料。1969年由Maruska和Tietjen直接在蓝宝石上用氢化物气相外延（HVPE）生长了大面积GaN，1993年由Nichia开发了高亮度蓝光发光二极管(LEDs)。此后这种材料体系成为蓝光LED、蓝光LASER二极管等光电器件的首要选择。

Mimura (1975年)和M.A.Khan(1994年)在氮化镓平台上演示异质结构器件，也称为HEMT，使氮化镓技术研究的重点从光电子学转向电子学。此后，GaN-HEMT在图1-2所示的性能指标中保持了总体记录。与其他技术相比，因为氮化镓中的电子迁移率明显高于硅功率金属氧化物半导体场效应晶体管和碳化硅场效应晶体管中的电子表面迁移率，这使得氮化镓器件作为功率转换器中的开关具有更小的使用面积、更高的速度和效率，所以GaN在其优越的电子密度(asymp;1times;10¹³cm^-2)和二维电子气体中的高电子迁移率(2DEG) (asymp; 1500 ?? ²/ V s)、良好的热导率(asymp; 1.5 ? /?? .? / )和高击穿电场(asymp; 3.0 ?? /?? ) 具有很大的竞争优势。GaN中的高击穿场比Si和GaAs材料体系高一个数量级，使得在射频功率放大器中具有显著的线性度和功率附加效率( PAE )的更高工作频率下提供高功率能级成为可能。

图1-1:氮化镓研究的里程碑[4]. 在上世纪90年代初证明了高质量GaN的生长和p型和n型GaN的电导控制后，光电学和电子学领域的GaN研究迅速发展。

图1-2:显示不同材料体系特性的表格。GaN 显示出高电子迁移率、电子速度和击穿场的组合[5]。

1.2 GaN-HEMT 在电力电子领域的研究现状

GaN进入紧缺的电力变换行业的关键领域是交直流开关电源、变速电机驱动、荧光灯、DC-DC变换器等。在这些应用中，GaN-技术在击穿电压( ?? )、导通电阻(?_dson)和总栅极电荷(?_?)，这3个关键指标中的表现都优于竞争对手，如图1-3所示。??对?_dson的情况表明，对于给定的??，?_dson和GaN开关中的导通损耗要小得多，而对于给定的?_dson和??，器件的占地面积要小得多。此外，器件中pn结的缺失与Si功率场效应管不同，会导致栅极电荷和开关损耗降低。

图1-3：(a) GaN、Si和SiC的理论?_dson和??图显示出GaN比其它工艺具有更好的特性。(b)工作在1 MHz变换器的12?-1.2? 降压变换器的重要损耗分量由于GaN开关中栅电荷较低(来自EPC的电路板)，开关损耗显著降低。

这些颠复性的优势吸引了大约15家技术制造商投资于GaN-on-Si HEMT功率器件的开发。可在完整的清单可找到，其中有IR、EPC、Transphorm、富士通、Sanken、东芝、TI、飞思卡尔等。成本和可靠性仍然是采用这项技术的主要挑战，虽然从长远来看，使用廉价的硅衬底和降低生长层的成本可以抵消硅技术的成本优势，但目前GaN HEMT器件在高应力电压和符合JEDEC标准的高温的开关条件下的可靠性似乎是氮化镓商业化的关键瓶颈。另一方面，通过独特的技术发明，栅极击穿、电流崩溃等二阶效应正在得到极大的缓解。与此同时，许多产品开始出现，它们通过倒装芯片或双包解决方案为lt;1000?的电源转换应用提供单包解决方案(CMOS驱动器 GaN开关)。将这些产品与它们在Si中的竞争溶液进行形态因子和效率的比较，可以看出GaN技术的优势，如图1 - 4所示。

图1-4: (a)封装中的功率MOSFET与EPC中的eGaN-FETs的比较，显示了相同器件规格的尺寸差异[4] (b)lmg 5200 10 ?、80 ? GaN 半桥功率模块，集成了TI的驱动器，符合JEDEC标准，证明了gan-HEMT进入电力市场。

1.2 氮化镓基场效应晶体管在射频电子领域的研究现状

GaN能够提供约5 ?/ ??的高功率密度是其用于射频应用的关键优势，而GaAs的1 ? /??和Si的0.3 ? /??由于其高电荷密度和电子饱和速度使得电流密度更高。此外，较低的电容和功率合成损耗有利于设计具有较高增益和输出功率的宽带功率放大器。氮化镓高BV的额外优势使工作电压变得更高，增加了大信号工作的线性范围，与硅-低密度聚氧乙烯解决方案相比，即使在高输入功率水平下，输出线性度的所受影响也更小。可利用这些好处的应用系统包括雷达、有线电视、空间应用、SatCom、3G/4G基站、WIMAX / LTE PAs以及跨越L波段到毫米波段的微波集成电路。图1-5(a)显示了不同技术在与这些射频应用相关的品质因数方面的比较。图1-5(b)显示了GaN技术在??和?_???之间的内在权衡 (FETs可以提供功率放大的最大频率),图中可以明显看出当??为100 ? (各种射频材料系统之间的记录)时，GaN系统提供高达200 ???的功率放大能力，凸显了GaN在满足射频应用需求方面的整体优势。

图1-5：(a)不同技术间射频性能指标的比较和(b)GaN-HEMT的最新演示显示?_???与??指标。GaN的高????和??组合为其提供了发射机PAs的高功率电平和线性度的优势，而良好的Johnson-FoM意味着即使是接收机LNA噪声系数性能也可以通过GaN技术得到改善。

这 些 优 势 吸 引 了 HRL 、松下、STM 、恩智浦 、 Cree[Wolfspeed]、RFMD、Triquint [Qorvo] 等众多商家在射频市场比在电力市场早得多的采用该技术，这项技术的衬底功耗、热管理和可靠性是其关键挑战。碳化硅衬底上的氮化镓取代硅衬底上的氮化镓是降低衬底损耗的解决方案，尽管它提高了MMIC成本，因为高压系统相比，射频应用的成本更小。氮化镓中的高功率密度导致局部加热需要专用的冷却系统，影响其可靠性，因而这仍然是该领域的一个活跃研究领域。尽管存在需要不断改进器件技术的重大挑战，射频领域已经开始出现一系列产品，展示了氮化镓在这类产品中相对于以往技术的优势。图1-6显示了一些领先公司的产品，与早期组件相比，它们的外形和性能指标都有所改善。

图1-6: (a) Triquint的TGS2354 GaN-on-SiC开关芯片与GaAs-MMIC相比，(b)Cree(wolf speed)gan-HEMT在10 ???至18 ???的范围内提供更高的带宽和功率密度，(c) GaN基CATV系统提供宽带功率，与GaAs相比线性度相同，电流降低20%。

图1-7: Venture-Qs [6]对各种技术公司在GaN技术升级中的地位的分析显示，多达23家公司处于高级产品开发阶段[2012年状态]。

图1-7重点介绍了GaN-HEMT在半导体行业的现状。通过观察行业参与者在氮化镓商 业化竞赛中的地位，可以清楚地看到，射频和功率领域的所有大参与者都在这项技术上投入了资源，这表明氮化镓HEMTs的采用范围正在扩大。然而，进一步的器件扩展需要解决和减轻器件技术和电路设计中的突出问题，这些问题将在下一小节中讨论。

1.3 GaN技术规模化面临的挑战和未来

正在研发GaN技术的公司主要面临的三大器件技术挑战是：抑制当前的崩溃现象、开发增强模式( E-mode ) HEMTs技术、提高器件可靠性。随着表面处理技术和钝化层技术的发展，场板工程在器件可靠性和电流崩溃方面显示出良好的应用前景。图1-8 (a)显示了这方面的工作，以减轻当前崩塌的影响和表面处理显示了希望。最近EPC对图1 - 8 (b)所示的栅极-漏极放大器和Panasonic对p- GaN或图1-8 (c)所示的所谓栅注入晶体管(GIT)的研究，以及隐栅技术，都是符合E模HEMT要求的部分答案。在这样的背景下，GaN技术的未来似乎正处于上升的趋势。

图1-8:(a)通过使用SiN钝化层进行表面处理，减轻了栅极电流崩溃。(b) 采用低压常规Si-FET串联D-mode GaN HEMT获得E-mode (正阈值电压)器件的Casode解决方案目前由EPC提供。(c)获得E-mode器件的另一种解决方案是在栅下异质结中使用p- GaN帽层将阈值电压移至正值该方案由松下提供。

随着GaN基系统在市场上的出现，除了器件技术的改进之外，还需要建立相关的电路设计工具。高压和射频电路设计的主要问题都是高度非线性、大信号、规范约束的设计挑战。为了帮助此类电路设计，需要精确的设备级协议模型来描述5个独立的设备终端特性以及电路中的设备行为。下一节回顾了业界最新模型的研究现状，以及开发基于物理的GaN HEMT紧凑模型的理由，这也是本论文的主题。

第二章

第三代至第五代HEMTs的最新紧凑模型概述

紧凑建模是指为集成半导体器件开发用于电路仿真的模型。在电子设备下，这些模型用于再现设备终端行为，终端行为由终端电流和电荷组成。关键要求是电路或系统级仿真的准确性、计算效率、参数提取简单、模型简单。紧凑模型的用户通常是集成电路设计者，但有时用户也包括设备技术工程师，他们为获得对其设备设计的反馈，使用基于物理的紧凑模型作为密集技术计算机辅助设计(T-CAD)的替代品。为了便于统计和 PVT 角(工艺、电压、温度角)模拟，以及下一个技术节点行为的预测能力，模型中的物理接地通常是首选的。

随着现代集成电路中模拟量的增加、传统技术先进节点的不断变化、频率和器件数量的不断

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