增強型GaN HEMT的汲極電流特性

作者 : Maurizio Di Paolo Emilio,Power Electronics News主編

GaN HEMT可以採用兩種不同的結構開發出來,包括金屬-絕緣層-半導體(MIS)結構和閘極注入電晶體(GIT)結構。MIS結構具有受電壓驅動的小閘極漏電流,而GIT則具有脊形結構和高閾值電壓...

基於氮化鎵(GaN)的增強型高電子遷移率電晶體(HEMT)可以採用兩種不同的結構開發出來。這兩種增強型結構是金屬-絕緣層-半導體(metal-insulator-semiconductor,MIS)結構和閘極注入電晶體(gate-injection transistor,GIT)結構。MIS結構具有受電壓驅動的小閘極漏電流,而GIT則具有脊形結構和高閾值電壓。兩者也都有一些缺點。MIS對閘極干擾的可靠性較低,閾值電壓較低,而GIT的閘極開關速度較慢,閘極漏電流較大。

1給出了用於測試這兩種結構的設置。可以對MIS和GIT兩種結構使用單一模型。GIT用於開發使用電流模型的等效電路,而MIS則用於核心汲極電流建模。隨後就可使用S參數測量值評估兩種元件中的每一個電路。

元件結構

1a顯示MIS電晶體的基本結構以及嵌入式源極場板(embedded source field plate,ESFP)。此處使用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)技術在其上形成氮化矽(SiN)鈍化層。並使用了載流子密度為1.4×1,013cm2、遷移率為1,203cm2V/s、薄層電阻為382Ω/sq的二維電子氣(2DEG)薄片。然後將由位於金屬間電介質MO膜頂部的500nm厚二氧化矽(SiO2)膜所製成的閘極在鈍化膜上延伸,從而使Cgs降低。ESFP將閘漏電場分成兩個峰值。這會由於負偏壓而降低電子密度,並在主動偏壓下增加閘極絕緣膜下的密度。

1b顯示脊型GIT電晶體和源極場板(SFP)的基本結構。其結構有一個作為阻擋層的10nm氮化鋁鎵(AlGaN)層和一個60nm的P-GaN層。在使用ICP蝕刻機蝕刻表面後,閘極表面採用100nm厚的SiN膜進行保護。汲極和源極也由蝕刻的SiN膜形成,從而產生歐姆電極。源極在閘極上方延伸到汲極側以形成SFP。SFP將閘極到汲極的電場分成兩個峰值,從而降低了閘極邊緣下方的電場強度。這些實驗中所使用的測量值包括:Lmask=0.8mm,Wmask=100mm,源極到閘極距離=0.9mm,閘極到汲極距離=3.5mm,以及閘極電容(Cox)——這個值可以使用閘極氧化膜厚度(Tox)和SiO2的介電常數(εox)計算取得。如2b所示,為了使用PN二極體空穴注入中所累積的電子密度準確計算閘極通道電容(Cch)非常困難。因此要在任何參數提取過程開始之前測量Cch

 

圖1:簡化的測試結構。

 

圖2:閘極的放大圖。

 

汲極電流方程式

MIS-HEMT的閘氧化層電容

脊形HEMT的閘極至溝道電容

脊形GIT HEMT的蕭特基接觸接面和PN接面如2b所示。通道區由P型閘極至2DEG區以及來自通道的空穴注入所組成。汲極電流的導數具有合併的單位面積閘極通道電容(Cch)。

閾值電壓

電子遷移率

汲源電阻

等效電路

3顯示MIS和脊形HEMT兩種模型具有相同的巨集電路。主HEMT電晶體用作FET以減少汲極電場;次電晶體用作SFP。4給出了MIS和脊形HEMT兩種類型具有固有小卜水弓十訊號的交流等效電路。

金屬互連電感標記為Lg、Ld和Ls,而閘極電容標記為Cgs和Cgd——它們使用經驗函數分為常數電容(Cgs0和Cgd0)和偏置相關電容。漏源電容標記為Cds。擴散電阻為Rdis_T,而擴散電容標記為Cdis_T和Cgdis。閘源內阻為ri。閘極、汲極和源極電阻分別由Rg、Rd_T和Rs_T表示。閘漏電阻由Rgd表示。可擴展閘極電容Cgs_sfp和Cgd_sfp與Cds並聯,因為ESFP必須連接在汲極和接地之間。

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