已經(jīng)為基于 GaN 的高電子遷移率晶體管 （HEMT）的增強(qiáng)模式開發(fā)了兩種不同的結(jié)構(gòu)。這兩種模式是金屬-絕緣體-半導(dǎo)體 （MIS） 結(jié)構(gòu)，2具有由電壓驅(qū)動(dòng)的低柵極漏電流，以及柵極注入晶體管 （GIT），3具有脊結(jié)構(gòu)和高閾值電壓。兩者也都有一些缺點(diǎn)。MIS 對柵極干擾的可靠性較低，閾值電壓較低，而 GIT 的柵極開關(guān)速度較慢，柵極漏電流較高。

圖 1 顯示了用于測試這兩種結(jié)構(gòu)的設(shè)置。單一模型可用于 MIS 和 GIT 結(jié)構(gòu)。GIT 用于使用電流模型開發(fā)等效電路，而 MIS 用于核心漏極電流建模。4此后，S 參數(shù)測量用于評估這些器件中的每一個(gè)的電路。

設(shè)備結(jié)構(gòu)

圖 1a 顯示了 MIS 晶體管的基本結(jié)構(gòu)以及嵌入式源極場板 （ESFP）。金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積用于在其上形成氮化硅 （SiN） 鈍化層。使用載流子密度為 1.4 × 1，013 cm 2、遷移率為 1，203 cm 2 V/s、薄層電阻為 382 W/square的二維電子氣 （2DEG）薄片。由位于金屬間電介質(zhì) MO 薄膜頂部的500 nm 厚的二氧化硅 （SiO 2 ） 薄膜制成的柵電極延伸到鈍化薄膜上，從而降低了 C gs。ESFP 將柵漏電場分成兩個(gè)峰值。這會(huì)由于負(fù)偏壓而降低電子密度，并在有源偏壓下增加?xùn)艠O絕緣膜下的密度。

圖 1b 顯示了脊 GIT 晶體管和源極場板 （SFP） 的基本結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)有一個(gè) 10 納米的氮化鋁鎵 （AlGaN） 層作為阻擋層和一個(gè) 60 納米的 p-GaN 層。在使用 ICP 蝕刻器蝕刻表面后，柵極表面用 100 nm 厚的 SiN 膜保護(hù)。漏極和源極也由蝕刻的 SiN 薄膜形成，從而產(chǎn)生歐姆電極。源極電極在柵極上延伸到漏極側(cè)以形成 SFP。SFP 將柵極到漏極的電場分成兩個(gè)峰值，從而降低了柵極邊緣下方的電場強(qiáng)度。用于這些實(shí)驗(yàn)的測量值是：L mask = 0.8 mm，W mask = 100 mm，源極到柵極距離 = 0.9 mm，柵極到漏極距離 = 3.5 mm，柵極電容（Cox ），可以使用柵極氧化膜厚度 （T ox ） 和 SiO 2的介電常數(shù) （ε ox ） 計(jì)算。如圖 2b 所示，很難使用 pn 二極管空穴注入中累積的電子密度準(zhǔn)確計(jì)算柵極溝道電容 （C ch ）。因此，在任何參數(shù)提取過程開始之前測量C ch 。

圖 1：簡化的測試結(jié)構(gòu)

圖2：大門放大圖

漏電流方程

MIS-HEMT 的柵氧化層電容

脊形 HEMT 的柵溝道電容

脊形 GIT HEMT 的肖特基接觸和 pn 結(jié)如圖 2b 所示。溝道區(qū)由從溝道注入空穴的 2DEG 區(qū)的 p 型柵極組成。漏極電流導(dǎo)數(shù)包含每面積的柵極溝道電容 （C ch ）。

閾值電壓

電子遷移率

漏源電阻

等效電路

圖 3 顯示我們的模型 MIS 和 ridge HEMT 具有相同的宏電路。主 HEMT 晶體管用作 FET 以減少漏極電場，而子晶體管用作 SFP。圖 4 顯示了 MIS 和脊形 HEMT 類型的具有固有小信號的交流等效電路。

金屬互連電感標(biāo)記為 L g、 L d和 L s，而柵極電容標(biāo)記為 C gs和 C gd，它們使用經(jīng)驗(yàn)函數(shù)分為常數(shù)（C gs0和 C gd0）和偏置相關(guān)電容。10漏極到源極的電容標(biāo)記為 C ds。色散電阻為 R dis_T，而電容標(biāo)記為 C dis_T 和 C gdis。柵源內(nèi)部電阻為 r i。柵極、漏極和源極電阻由 R g ， R表示d_T和 R s_T分別。柵漏電阻由R gd表示。可擴(kuò)展的柵極電容 C gs_sfp和 C gd_sfp與 C ds并聯(lián)，因?yàn)?ESFP 必須連接在漏極和地之間。

柵極注入 pn 二極管中脊形 HEMT的擴(kuò)散電容 （ C_diffusion ） 和結(jié)電容 （ C_junction ） 如圖 4b 所示。11此處使用的端子位于源極和柵極之間。C _diffusion甚至可以作為 C dis_T工作。

圖 3：MIS 和 ridge HEMT 模型的電路

圖 4：等效電路

實(shí)驗(yàn)與討論

具有脈沖測量模式的曲線跟蹤器用于測量所采用的兩種晶體管結(jié)構(gòu)的 DC。為此提供的偏置具有 100 ms 的脈沖寬度和 50% 的占空比。

在實(shí)驗(yàn)之前使用多柵極長度和寬度器件進(jìn)行測量，以獲得線性和飽和漏極電流、閾值電壓的模型參數(shù)以及柵極通道中的長度和寬度依賴性。

該模型具有高精度，可用于 MIS 和脊形 HEMT 器件，用于在線性和飽和區(qū)激發(fā)靜態(tài)漏極電流。這在圖 5 和圖 6 中得到了清晰的體現(xiàn)。S 參數(shù)測量以及小信號 AC 表征可以有效地用于評估等效電路。1

圖 5：測量和模擬的 Ids-Vgs

圖 6：測量和模擬的 Ids-Vds

結(jié)論

本文總結(jié)了 HEMT 的兩種模型：漏極電流模型 MIS 和脊 GIT。用于交流和瞬態(tài)仿真的小信號等效電路模型也使用測量值和 S 參數(shù)制作。對于脊形 HEMT，詳細(xì)討論了柵極泄漏電流模型以及過量漏極電流。可以使用 MIS-HEMT 模型創(chuàng)建漏極電流模型的其他修改方程。HSPICE 與 Verilog-A 語言結(jié)合使用來創(chuàng)建此模型。我們的測試設(shè)置與該模型及其參數(shù)配合良好，可應(yīng)用于電源設(shè)計(jì)。可以設(shè)計(jì)瞬態(tài)和噪聲等效電路以及模型方程來更快速地切換電源。