河北工业大学毕业设计说明书作者：学号：学院：系(专业)：电子科学与技术题目：GaN器件性能分析及集成电路设计指导者：教授评阅者：副教授2012年6月2日目次1绪论 (1)1.1课题研究的背景与意义 (1)1.2 GaN器件的研究现状及存在问题 (2)2 GaN材料特性及MOSFET器件概述 (3)2.1 GaN材料特性 (4)2.2 GaN MOSFET器件概述 (5)3 仿真工具MATLAB和Pspice (6)3.1 仿真工具MATLAB简介 (6)3.2仿真工具Pspice简介 (7)3.2 MATLAB和Pspice的联合使用 (8)4 GaN MOSFET器件模拟 (8)4.1 GaN MOSFET器件结构及基本特性模拟 (8)4.2 GaN MOSFET器件直流特性模拟 (14)4.3 GaN MOSFET器件温度特性模拟 (16)5 GaN MOSFET器件在集成电路中的应用 (18)5.1 GaN MOSFET器件在反馈放大电路中的应用 (18)结论 (20)参考文献 (21)致谢 (23)1 绪论1.1课题的研究背景与意义1.1.1 课题的研究背景传统的半导体器件多以Si、GaAs等材料为基础制成，由于材料本身的限制，其性能已接近理论极限。
而以碳化硅（SiC）、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体材料，即宽禁带半导体材料，则由于其突出的材料性能——宽带隙、高饱和电子漂移速度、高临界击穿电场等——而代替Si、GaAs等成为制造大功率、高温、高频和抗辐射电子器件的理想材料。
正是由于这种需要，近二十年来，宽禁带半导体材料发展迅速——从上世纪九十年代开始，宽禁带半导体材料逐渐成为研究人员的研究重心。
GaN的研究是从上世纪二十年代开始的。
1928年，Johnson等人通过 Ga 金属和NH3 反应得到的 GaN 材料。
十年之后，1938年，Juza和Hahn尝试生长了热力学稳定的 GaN 结构。
而GaN半导体材料的商业应用应始于1970年，但由于GaN单晶材料制备上的困难以及难于生长出GaN-PN结，GaN器件的研究很长时间一直没有突破。
到1985年，通过采用先进的分子束外延方法，GaN材料的性能得到了大大的改善；[1]随后在1989年，Akasaki等人利用电子辐照方法实现了GaNP型材料的生长并制备出PN结；[1]而后在1991年，日本研制出同质结蓝色LED；1993年，Khan等人采用低压MOCVD技术，并在蓝宝石衬底上利用一层AlN薄膜缓冲层提高GaN膜质量的方法首次制造了GaNMESFET； 1995年，Nakamura等人制备出发蓝紫光的GaN发光二极管，效率为5%，寿命达一万小时；[1]其后两年，在1997年，用GaN基材料制备的半导体激光器面世；1998年，F.Ren等人制造出第一只GaN MOSFET；[2] 2007年，中科院研制成功GaN基半导体激光器，填补了我国在这一方面的空白；2011年，微电子研究所微波器件与集成电路研究室研制成功了毫米波GaN功率器件，其功率测试是国内目前研究中已知的最高频性能。
最近十年来，GaN器件的研究飞速发展，对其的研究、开发和制造已成为目前国际半导体领域中的热点问题。
现在全球已有接近100家公司和200多所大学与研究所进行GaN材料、工艺和光电器件开发的研究。
2010年GaN微电子在工程化方面取得重大突破，预计2010年～2015年间即可实现GaN材料商业化研发生。
继GaAs微电子之后，GaN微电子也将成为化合物半导体领域发展的一颗新星。
1.1.2 课题的研究意义1 GaN材料性能优越与第一代半导体材料Si与第二代半导体材料GaAs、InP等相比，GaN具有更优越的物理性能：禁带宽度大，热导率高，从而具有更高的击穿电压和工作温度以及更强的抗辐射能力；导带底在Γ点，而且与导带的其他能谷之间能量差大，从而使其不易产生谷间散射，易得到很高的强场漂移速度； GaN易与AlN、InN等构成混晶，能制成各种异质结构；晶格对称性比较低，具有很强的压电性和铁电性；在异质结界面附近具有很强的压电极化和自发极化，能感生出极高密度的界面电荷。
总而言之，GaN基半导体材料具有内、外量子效率高、高发光效率、高热导率、高强度和高硬度、耐高温、抗辐射、耐酸碱等特性，是目前世界上最先进的半导体材料。
2 GaN材料应用前景广阔作为一种新型化合物半导体材料，GaN由于其独特的材料性质而具有许多硅基半导体材料所不具备的优异性能，在大功率、高温高频和高速半导体器件中表现出色，可取代部分硅和其他化合物半导体材料器件市场。
GaN更宽的禁带，可以发射波长比红光更短的蓝光，从而为新的光电应用产品的研究开发提供了新的思路。
在军用方面，由于GaN微电子器件可以在600～1100℃的范围内工作，其高频、大功率和高强的抗辐射能力也占很大优势，从而得到了军事宇航领域的广泛重视。
在民用方面，GaN基器件的对高频率和大功率的处理能力对于发展高级通信网络中的放大器、调制器以及其他关键器件都很重要。
另外，GaN材料在大频幕、车灯、交通灯、GaN基LED白光照明，数字化存储技术，光纤通信、探测器、光学阅读、激光高速印刷等领域有重要的用途和光明的应用前景。
1.2 GaN器件的研究现状及存在问题1.2.1 GaN器件的研究现状GaN材料系列是一种理想的短波长发光器件材料，其在蓝光LED、激光器等的应用方面已得到长足发展。
同样，由于其在高温、高频以及大功率领域内的杰出表现，人们对GaN HEMT器件也有大量深入的研究。
而与之相比的是，GaN MOSFET的研究正处于发展阶段。
相对而言，国际方面研究的比较多：世界上第一只 GaN MOSFET 器件，在1998 年由F.Ren 等人使用 Ga2O3(Gd2O3)做为栅介质制成；[2]其后在2000 年，J.W.Johnson等人使用SiO2/Gd2O3做为栅介质材料制作的GaN MOSFET，最高栅压达到7V，源漏击穿电压可达到 80V，而且在栅压范围内表现出良好的调制效应；而后在2002 年Kuan.Wei Lee等设计制作的GaN MOSFET，使用液相淀积 SiO2做栅介质材料，在栅压为 4V 和漏源电压为 20V 的情况下得到 250mA/mm的漏极电流和48mS/mm的跨导；在2004 年到2007年间，Y.Irokawa 、W.Huang、Hcon-BokLee 、YukiNiiyama等人相继报道了其所研制成功的GaN MOSFET；到了2008 年反型沟道 GaN MOSFET研制成功，该MOSFET以Al2O3做栅介质，并得到2.8V的阈值电压以及 4×10-13A/μm的关断漏电流；高功率常关 GaN MOSFET 器件则在2009年研制成功，电流可达 2.2A，最高工作温度可达到 250℃。
[3]国内方面相关报道比较少，仅在2005 年由邹晓等提出了一种半经验的 GaN n-MOSFET 反型沟道电子迁移率模型。
[3]总而言之，由于工艺技术水平的关系，国内的 MOSFEET 实际器件研究与开发尚处于探索阶段。
因此对 GaN MOSFET 进行器件模拟，具有很大的实践指导意义。
1.2.2 GaN器件的存在问题目前，GaN MOSFET器件的研究尚处于探索阶段，其研发过程中尚有许多难题没有解决。
首先，在工艺方面，一直没有很好的方法解决GaN材料的p型掺杂。
国外方面，H.Amaano等人和S.NaKamura等人先后分别利用低能电子束照射和快速热退火方法获得p型GaN材料[3]。
国内方面，通过调整温度、压力和Mg掺杂量等参数优化材料掺杂效果来获得p型GaN材料。
其次，在于栅介质的选择，栅介质材料对器件性能有重要的影响，近几年已报道过的栅介质材料主要有AlN,Ga2O3(Gd2O3)，MgO，SiO2，MgO，SiNx，Sc2O3以及它们的化合物，这些材料的界面态密度均达到了1011cm-2eV-1数量级,高的界面态密度，严重影响器件性能。
在GaN材料的计算机模拟仿真方面，GaN 材料参数不完善，模型不够先进，与GaN 器件的现有研究状况脱节，导致模拟结果不准确。
2GaN材料特性及MOSFET器件概述2.1 GaN材料特性2.1.1 GaN材料的基本特性GaN不存在与自然界中，最早由人工合成。
它的化学性质极其稳定，熔点约为1700℃，是一种坚硬的高熔点材料。
一般GaN晶体有三种结构：六角纤锌矿2H型结构（α相）、立方闪锌矿3C型结构（β相）和面心立方结构（NaCl结构）。
在大气压力下，GaN晶体通常是六角纤维锌矿 2H 型结构。
该结构的GaN晶体一个晶胞内有四个原子，原子体积大约为GaAs的一半。
由于GaN晶体的性质稳定，硬度高，所以它又是一种良好的涂层保护材料。
在室温下，GaN性质稳定，不溶于水、酸和碱，即使在热的碱溶液中溶解速度也非常慢。
NaOH、H2SO4、H3PO4能较快的腐蚀质量差的GaN，对一些质量不高的GaN晶体，可以用这种方法进行缺陷检测。
高温时，GaN晶体在N2中表现稳定，但在HCl和H2气氛中呈现不稳定特性。
表2.1中给出了室温 GaN 材料的主要特性参数。
表2.1 几种重要的半导体材料的部分参数带隙类型间接直接直接禁带宽度/eV 1.12 1.43 3.45 熔点/℃1420 1238 1700 密度/g.cm-1 2.328 6.095 晶格常数/nm 0.543 0.565 0.451 介电常数11.8 12.5 8.9 热膨胀系数/×10-6.C-12.6 5.9 5.6电阻率/Ω·cm 1000 103 >1010热导率/W.cm-1.K-1 1.5 0.46 1.3 电子饱和速率/×10-7cm.s-11.02.0 2.2 电子迁移率/cm2V-1s-11350 8500 900 空穴迁移率/cm2V-1s-1600 400 850对表2.1给出的GaN、Si 和GaAs的主要参数进行比较，可以看出GaN材料在高温高频以及大功率器件等领域有极强的优势。
2.1.2GaN材料的电学特性半导体材料的电学特性是影响器件的主要因素。
非故意掺杂的GaN在各种情况下都呈n型，最好的样品的电子浓度约为4×1016/cm3，一般情况下所制备的p型氮化镓都是高补偿的。
采用Mg作为掺杂剂，在800℃左右和在N2的气氛下进行高温退火，可以实现GaN材料的P型掺杂。
未掺杂载流子浓度可控制在1014～1020/cm3范围，通过P型掺杂工艺和Mg的低能电子束辐照或热退火处理，可以将掺杂浓度控制在1011～1020/cm3范围。
很多研究小组从事氮化镓电学特性的研究工作，其中中村报道了 GaN 最高迁移率数据在液氮温度和室温下分别为μn =1500cm2/Vs和μn=600cm2/Vs，相应的载流子浓度为 n=8×1016cm-3和 n=4×1015cm-3。