1

Особенности расчёта приборов на основегетероструктур AlGaN/GaN в САПР

приборно-технологического моделирования

Д.Г. Дроздов 1,2, Е.М. Савченко 1,2, В.О. Сиомко 1,2

1 - ФГУП "НПП "Пульсар", г. Москва,

2 - МГТУ МИРЭА, г. Москва

2

Транзисторы на основе AlGaN/GaN

Преимущества:Высокие значения как пробивного напряжения, так и плотности тока;Возможность работать в условиях повышенной температуры (до 400 oC);Возможность работать в условиях повышенного уровня радиации ();

Рис. 1 Транзисторы Toshiba TGI5896-50 (а), Nitronex NPTB00004 (б), ФГУП «НПП «Пульсар» (в)

а) б)

Примеры современных транзисторов

Недостатки:Отсутствие собственной подложки (промышленных образцов), что приводит к

механическим напряжениям при росте на подложках из других материалов (SiC, Al2O3, высокоомный (>104 Ом·см) кремний);

Существенно более сильное влияние поверхностных и объемных ловушек на статические и динамические характеристики по сравнению с транзисторами на основе GaAs.

в)

3

Цель работы

Рассмотреть существующие модели для описания гетероструктур и транзисторов на основе нитрида галлия; Сформировать методику моделирования подобных приборов в САПР приборно-технологического моделирования; Провести оптимизацию конструкции гетероструктуры с использованием разработанной методики.

4

Особенности гетероструктур AlGaN/GaN

Спонтанная и пьезоэлектрическая поляризации; Квантовые эффекты; Подвижность носителей заряда; Объемные и поверхностные ловушки, фоновое легирование; Туннелирование.

5

Спонтанная и пьезоэлектрическая поляризации

Модель Амбахера1,2 :

1. O. Ambacher et al. Two-dimensional electron gases induced by spontaneous and piezoelectric polarization charges in N- and Ga-face AlGaN/GaN heterostructures. // Journal of Applied Physics, Vol. 85, NO. 6, 1999. P. 3222–3233.

2. O. Ambacher et al. Two dimensional electron gases induced by spontaneous and piezoelectric polarization in undoped and doped AlGaN/GaN heterostructures. // Journal of Applied Physics, Vol. 87, NO. 1, 2000. P. 334–344.

Рис. 2 Зависимость заряда от мольной доли Al

6

Квантовые эффекты

Квантовый потенциал Бома:

Где h – постоянная Планка, α и γ – поправочные коэффициенты, M-1 - тензор обратной эффективной массы, n - плотность носителей заряда.

Двумерное уравнение Шредингера:

Рис. 3 Распределение концентрации электронов

Рис. 4 Распределение концентрации электронов

7

Подвижность носителей заряда

Модель Фарахманда (модифицированная модель Коэ - Томаса)1

1. Maziar Farahmand, et al. Monte Carlo Simulation of Electron Transport in the III-Nitride Wurtzite Phase Materials System: Binaries and Ternaries // IEEE Transactions on electron devices, Vol. 48, No. 3, March 2001. P 535-542.

Рис. 5 Зависимость скорости носителей заряда от электрического поля, полученная с помощью модели Фарахманда

8

Объемные ловушки в GaN

Рис. 7 Распределение концентрации электронов с учетом ловушек

1. Aditya Kalavagunta. Understanding the impact of bulk traps on GaN HEMT DC and RF characteristics (dissertation)

Рис. 6 Энергетические уровни глубоких ловушек в GaN

Таблица 11

9

Туннелирование посредством фононов (PhAT)1,2

Рис. 8 Обратная вольт-амперная характеристика диода Шоттки сток-затвор

1. P. Pipinys, V. Lapeika. Analysis of reverse-bias leakage current mechanisms in metal/GaN Schottky diodes // Advances in Condensed Matter Physics. - 2010.

2. Wei Lu, Lingquan Wang, Siyuan Gu, Aplin D.P.R., Estrada D.M., Yu P.K.L., Asbeck P.M. Analysis of reverse leakage current and breakdown voltage in GaN and InGaN/GaN Schottky barriers // Electron Devices, IEEE Transactions on. - 2011. - V. 58, - № 7. - P. 1986 – 1994.

Рис. 9 Прямая вольт-амперная характеристика диода Шоттки сток-затвор

10

Конструкции гетероструктур Nitronex corp. и ФГУП «НПП «Пульсар»

Параметры транзистора:Ширина затвор Wg = 60 мкм.Длина затвора Lg = 0.5 мкм. Затвор расположен по середине.Расстояние сток/исток Lси =4 мкм.

Рис.10 Конструкции гетероструктур AlGaN/GaN,

используемых для производства транзисторов Nitronex corp. и ФГУП «НПП «Пульсар»

Параметры транзистора:Ширина затвор Wg = 1000 мкм.Длина затвора Lg = 0.5 мкм. Расстояние затвор/исток Lси =1 мкм.Расстояние сток/исток Lси =4 мкм.

11

Сопоставление результатов: транзистор NPTB00004

Рис 11. Сравнение входных (а) и выходных (б) вольт-амперных характеристик реального транзистора (сплошная линия) и результатов расчетов (пунктирная линия)

а) б)

Рис 12. Сравнение коэффициентов передачи реального транзистора (красная линия) и результатов расчетов (синяя линия)

12

Сопоставление результатов: транзистор ФГУП «НПП «Пульсар»

Рис 13. Сравнение входных (а) и выходных (б) вольт-амперных характеристик реального транзистора (пунктирная линия) и результатов расчетов (сплошная линия)

а) б)

13

Моделирование вольт-фарадных и импульсных характеристик

а) б)

Рис. 14 Зависимость Cз = f (Uзи) при различных концентрациях объемных ловушек (Uси=5 В)

Рис. 15 Импульсные вольт-амперные характеристики

14

Математические основы расчёта коэффициента шума

Fmin – минимальный коэффициент шума;Z0 – оптимальный импеданс источника; gn – шумовая проводимость.

Локальные источники шума:

1. F. Bonani, G. Ghione, M. R. Pinto, and R. K. Smith, “An efficient approach to noise analysis through multidimensional physics-based models,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 45, pp. 261–269, Jan 1998.

2. T. C. McGill, M.-A. Nicolet, and K. K. Thornber, “Equivalence of the Langevin method and the impedance-field method of calculating noise in devices,” Solid-State Eletronics, vol. 17, pp. 107–108, 1974.

Флуктуации напряжения:

Коэффициент шума:

15

Источники шума

Диффузионный шум:

Шум генерации-рекомбинации:

1) Прямая генерация-рекомбинация 2) Генерация-рекомбинация с помощью ловушек

1.Muth, J., et. al., "Absorption Coefficient, Energy Gap, Exciton Binding Energy, and Recombination Lifetime of GaN Obtained from Transmission Measurements", Appl. Phys. Lett.Vol. 71 (1997): 2572-2574.2.Zhou, B., Butcher, K., Li, X., Tansley, T., "Abstracts of Topical Workshop on III-V Nitrides". TWN '95, Nagoya, Japan, 1995.3.Walker, D., Zhang, X., Saxler, Z., Kung, P., Xj, J., Razeghi, M., "AlxGa(1-x)N(0<=x,=1)Ultraviolet Photodetectors Grown on Sapphire by Metal-Organic Chemical-Vapor Deposition", Appl. Phys. Lett. Vol. 70, No. 8 (1997): 949-951.

Коэффициент диффузии:

Скорость генерации-рекомбинации: Скорость генерации-рекомбинации:

16

Распределение источников шума по структуре

Рис.16 Распределение источников шума по структуре

Рис.17 Распределение источников шума по структуре (увеличенный масштаб)

17

Характеристики транзистора ФГУП «НПП «Пульсар» (Wg=1000 мкм)

Рис. 18 Зависимость Iс=f(Uси)

Рис. 19 Зависимость Ic=f(Uзи)

Рис. 20 Зависимость gm=f(Uзи)

18

Характеристики транзистора

Рис. 21 Зависимость NFmin=f(f)Uси = 10 В

Рис. 22 Зависимость h21=f(f) Uси = 10 В, Uзи = 0 В

Рис. 23 Зависимость Gma=f(f)Uси = 10 В, Uзи= 0 В

19

Оптимизация спейсерного слоя AlGaN

Отсутствие модели учета различных механизмов рассеяния носителей заряда приводит к тому, что мы нее можем промоделировать рост рассеяния носителей заряда на примесях в сильнолегированном слое AlGaN и, соответственно, снижение подвижности в области двумерного электронного газа.Таким образом, оптимальной толщиной спейсерного слоя представляется толщина = 1-2 нм.

Рис. 24 Зависимость Iс=f(Uси)Uзи= 0 В

Рис. 25 Зависимость NFmin=f(f)Uси = 10 В, Uзи= 0 В

20

Спейсерный слой AlGaN

б)

Рис. 26 Распределение волновых функций электронов по координате y а) без спейсерного слоя; б) d (AlGaN) = 1 нм; в) d (AlN) = 1 нм

а) в)

21

Влияние объемных ловушек и фонового легирования

Рис. 27 зависимость NFmin=f(f)Uси=10 В, Uзи=0 В

Рис. 28 зависимость NFmin=f(f)Uси=10 В, Uзи=0 В

Рис. 29 зависимость Gma=f(f)Uси=10 В, Uзи=0 В

Рис. 30 зависимость Gma=f(f)Uси=10 В, Uзи=0 В

Объемные ловушки Фоновое легирование

22

Влияние барьерного и сильнолегированного слоев AlGaN

Барьерный слой AlGaN Сильнолегированный слой AlGaN

Рис. 33 зависимость NFmin=f(f)Uси=10 В, Uзи=0 В

Рис. 34 зависимость NFmin=f(f)Uси=10 В, Uзи=0 В

Рис. 31 зависимость Iс=f(Uси)Uси=10 В, Uзи=0 В

Рис. 32 зависимость Iс=f(Uси)Uси=10 В, Uзи=0 В

23

Оптимизация конструкции гетероструктуры

Рис. 35 Зависимость Nfmin = f (f) от толщины барьерного слоя при толщине легированного слоя = 15 нм

Uзи = 0 В, Uси = 10 В

Рис.36 Зависимость Gma= f (f) от толщины барьерного слоя при толщине легированного

слоя = 15 нм Uзи = 0 В, Uси = 10 В

24

Оптимизация конструкции гетероструктуры

Вывод: оптимальная конструкция гетероструктуры по результатам расчёта с использованием представленной модели следующая: - толщина барьерного AlGaN слоя = 5 нм- толщина легированного AlGaN слоя = 18 нм;- толщина спейсерного AlGaN слоя = 2 нм.

Рис. 37 Зависимость тока стока от толщин слоев AlGaN при Uзи = 0 В, Uси = 10 В

Рис. 38 Зависимость NFmin от толщин слоев AlGaN при Uзи = 0 В, Uси = 10 В, f =10 ГГц

25

Выводы

Представлена модель для расчёта AlGaN/GaN транзисторов с конструкцией, содержащей три слоя AlGaN. По результатам моделирования получены оптимальные значения толщин слоев AlGaN для построения малошумящих транзисторов. Необходимо проводить дальнейшую коррекцию модели для адекватного моделирования гетероструктур более сложной конструкции, а также таких физических эффектов как фликер-шум, отрицательная дифференциальная проводимость, и т.д.

26

СПАСИБО ЗА

ВНИМАНИЕ!