InP基HEMT器件的基本特性仿真

张超+程超+夏鹏辉+杨兴业

摘 要：高电子迁移率晶体管（ HEMT）噪声低、电子迁移率高、功耗低、增益高其作为高频半导体器件的一种，对其的研究早已成为热门，并且已取得很好的进展，被视为极其有竞争力的能实际应用的高频半导体器件。本文介绍了 HEMT 等半导体器件仿真中常用物理模型，继而基于 Sentaurus TCAD 仿真软件，对 InP 基 HEMT 器件的基本特性进行了仿真，得到的结果很好地符合了理论值。最后，结合 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，并通过改变相关参数，研究了部分因素对器件的影响。

关键词：InP；HEMT；流体力学模型；特性仿真

1 前言

InP基高电子迁移率晶体管（HEMT），相比与于传统的晶体管器件，以其独特的高迁移率、低噪声、高增益特性，在国防航天、毫米波通信、卫星遥感以及雷达等军民用领域，拥有非常广阔的应用前景[3，4]。本文通过模拟仿真研究 InP基 HEMT 器件的基本特性，包括直流特性，交流特性等，对器件的工艺设计有着重要的意义。目前，国内外对 InP 基 HEMT 进行了制备上的大量研究，但是对器件模型以及仿真平台的研究还有大量的工作，以及其他技术和基础科学上的研究有待进一步进行。

本文的工程中，采用 Sentaurus TCAD 半导体器件模拟仿真软件，针对 InP 基HEMT 建立流体力学模型的模拟仿真平台，通过观察分析仿真的结果，为化合物半导体器件的进一步研究提供了理论支持。

2 InP 基 HEMT 仿真模型分析

半导体器件在仿真的时候使用的物理模型包括传统的蒙特卡罗模型、传统的漂移扩散模型和适合深亚微米器件的流体力学模型。出于计算效率的原因，本文主要使用了流体力学模型模拟仿真了 InP 基 HEMT 的转移特性、输出特性和频率特性。并对其进行了分析研究。

3 In P基HEMT器件仿真特性研究

用Sentaurus TCAD 软件进行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流特性，结果显示该模型能够很好的对目标器件进行特性上的仿真。

本论文所建工程中，器件上层为高掺杂帽层，以减小接触电阻。中间为T型栅，其次为12nm厚InAlAs厚势垒层，再加上Si材料delt 掺杂层，提供沟道层的二维电子气。下面是 3nm 厚 In Al As 材料的隔离层。沟道层材料为InGaAs材料，厚度为15nm。下层为缓冲层和InP材料衬底。

3.1 直流特性分析

图2和图3分别表示不同栅槽深度器件的转移特性，跨导，和输出特性。从仿真结果中可以看出，栅槽越深，阈值电压越大，而跨导值也会变大，输出特性的值会减小。因此，栅槽深度对器件直流特性的影响相当重要，要得到较好的器件特性，应综合考虑栅槽深度对各种参数的影响，从而在器件的实际制作中结合工艺制作相应的尺寸。

不同栅槽宽度对器件特性的影响可由图 4 和图5 显示。根据仿真过程发现，栅槽宽度对器件的转移特性和跨导有很大影响。没有合适的栅槽宽度，会得到很不理想的特性曲线。经过不断的尝试，最终得到合适的栅槽宽度。由仿真结果可发现，栅槽宽度对输出特性的影响并没有跨导那么大。仿真结果符合实际。在实际栅槽腐蚀中，栅槽宽度很难控制，往往材料在横向上是相同的，腐蚀液很容易扩散，因此实际的腐蚀宽度很难把握，而纵向是异种材料，通过选择腐蚀比较容易控制栅槽的纵向深度。

如图6 所示，栅极势垒值对转移特性和跨导的影响仅限于增大减小阈值电压，对跨导的大小并没有影响。从图7可以看出，对于输出特性，不同势垒值影响了其输出值的大小，随着Vd的增大，曲线先增大后趋于稳定。从器件结构可知，势垒的不同使栅极电压对二维电子气的浓度的影响有所变化，因此导致了输出Id的不同。

3.2 交流特性分析

结合实际工艺中的栅槽腐蚀，定义了不同栅槽深度，主要仿真了不同栅槽深度下的fmax和fT，分析了栅槽深度对器件交流特性的影响。

HEMT交流特性中，我们主要关注器件的频率特性，其中最重要的两个指标分别为截止频率fT以及最高振荡频率fmax，截止频率指的是漏极电流的增益h21下降为1时的频率。最高振荡频率fmax时的是晶体管的单向化功率增益为1时的器件工作频率，也是器件所能进行功率放大作用的最高工作频率[5]。

从图8和图9仿真结果可以看出，深槽深度在3nm时的fmax和ft均大于1nm和5nm时，即表明，栅槽深度在一个合适值的时候，fmax和ft才会达到最大值，而且栅槽深度不应该过小，也不应该过大，应处于一个合适的区间。这一仿真结果对实际器件研发有直到性的意义，应综合分析器件各特性，寻找最合适的栅槽深度。据调研，目前数字腐蝕这一方法可以精确刻蚀栅槽深度，因此对制造理想栅槽深度的器件很有意义。

4 结论

从仿真结果来看，所建立的InP基HEMT器件模型具有良好的半导体器件特性，适用于高频电路。但仍需不断优化改良，后续的工作可进一步放在 HEMT的栅槽。应进一步完善栅槽腐蚀的工艺，确保栅槽腐蚀更为精确，以免与实际要求差异太大而影响器件的应用。在仿真工作中，所模拟的掺杂情况与实际器件可能有一定差异，为更精确的模拟器件，还应该进一步研究所建立的器件模型中的掺杂分布情况，并完善SDE中的模型。

参考文献

[1]姚立华.国外InPHEMT和InPHBT的发展现状及应用[J].半导体技术，2009，11：1053-1057.

[2]高勇.半导体材料科学中的漂移扩散模型和流体动力学模型分析[D].河南大学，2004.

[3]李和委.InP-HEMT的发展现状及其应用[J].半导体情报，2000，03：17-25.

[4]钟英辉.InP基HEMT器件及毫米波单片放大电路研究[D].西安电子科技大学，2013.