氮化镓器件介绍与仿真

本推文简述氮化镓器件，主要包括GaN HEMT和二极管，帮助读者了解Sentaurus TCAD仿真氮化镓器件的相关内容。

PART 01

GaN材料与器件介绍

GaN材料介绍

GaN材料广泛用于射频器件，特别是高频应用，目前在5G通讯技术的应用中有着重大意义。此外，GaN材料在电力电子应用中也逐渐得到广泛应用，例如新能源汽车充电桩，快速充电器等消费类电子领域。其次，GaN的禁带宽度很大，其不但具有高击穿电场、高热导率和高电子饱和速度等优点，而且化学性质稳定，抗辐照能力强，非常适合在高温、高频和大功率环境下应用。

同时，GaN的高热导率有助于快速释放器件工作时产生的热量，这样有效降低了器件因散热问题发生失效的概率。GaAs的电子迁移率高达8500cm²/V·s，虽然具有很好的高频特性，但其击穿电场只有600kV/cm，限制了其在高温大功率下的应用。SiC击穿电场高达3.5MV/cm，但因自身电子迁移率过低，限制了其在高频环境下的应用。而GaN材料除了具有以上优点，其他各项参数也都具备优势且很均衡，此外它还具有化学性质很稳定、抗辐射和耐腐蚀能力强的特点。因此GaN在制备高频大功率器件方面具有巨大的潜力和广阔的前景，同时也很适合制作高温和抗辐照的光电子器件。GaN器件由于结构中包含可以实现高速性能的异质结二维电子气，相比于SiC器件拥有更高的工作频率，但可承受电压更低，所以GaN器件在高频率、小体积、成本敏感和功率要求低的电源领域，如轻量化的消费电子电源适配器、无人机用超轻电源和无线充电设备等。

GaN HEMT器件介绍

GaN器件具有非常小的开态电阻，从而可以进一步提高器件的输出功率，满足了器件高功率的要求。由于横向二维电子气结构可提供很高的电荷密度和迁移率，这使得GaN器件具有很大的电子饱和速度，并且极高的饱和速度使其具备良好的频率特性。

如下图，对于增强型GaN器件，栅源电压Vgs≤0V时，即在Gate端加负电压，排掉电子，阻断二维电子气使器件关断，高于阈值电压的偏置电压开通二维电子气实现器件的导通。不像传统MOS带有栅氧，GaN器件的Gate端没有栅氧，没有栅电容的充放电过程，使其驱动速度非常快，适合高频大功率场合的应用。

PART 02

GaN HEMT器件仿真

耗尽型/常开型GaN HEMT器件仿真

常开型GaN HEMT器件转移和输出特性

常开型GaN HEMT器件击穿特性

增强型/常关型GaN HEMT器件仿真

对于一般的GaN FET的Gate需要加负压才能使沟道不连续，变为关断状态，在Vg=0时沟道依旧处于开启的状态，所以GaN是常开器件。但是如果Gate使用掺杂Mg的GaN作为P+栅极，在Vg=0耗尽沟道，就可产生常关的晶体管。

PART 03

GaN二极管器件仿真

氮化镓肖特基二极管仿真

对GaN掺入硅元素，可以实现N型掺杂，完成肖特基二极管结构的搭建。

对GaN肖特基二极管结构进行电性仿真时，需要加入非局域遂川、肖特基势垒功函数……以完成GaN肖特基二极管正向特性扫描。

PART 04

Concentraion与NetActive

Concentraion与NetActive

在查看器件的浓度分布时，常常有DopingConcentrain和NetActive两种不同的选项，但是一般不会同时出现，NetDoping一般用于表示经掺杂，Active一般用于表示已经激活的杂质分布，DopingConcentraion和NetActive都可以查看总的掺杂分布，如果施主掺杂浓度NA大于施主掺杂浓度ND，则掺杂类型显示为P型，如果如果施主掺杂浓度ND大于施主掺杂浓度NA ，则掺杂类型显示为N型。在新版本软件中，Sde运行完成后往往找不到掺杂分布DopingConcentraion，此时则需要把如BoronConcentraion、PhosphorusConcentraion、ArsenicConcentraion改为BoronActiveConcentraion、PhosphorusActiveConcentraion、ArsenicActiveConcentraion，同样地还有碳化硅中的P型区铝元素掺杂AluminumActiveConcentraion、N型区氮元素掺杂NitrogenActiveConcentraion，氮化镓中的N型区硅元素掺杂nSiliconActiveConcentraion、P型区镁元素掺杂pMagnesiumActiveConcentraion等……选择NetActive查看器件的杂质浓度分布情况。如果不确定掺杂元素，N型掺杂可以写成NDopantActiveConcentraion，P型掺杂可以写成PDopantActiveConcentraion。并且使用命令PDopantActiveConcentraion代替命令pMagnesiumActiveConcentraion，还可以解决低版本软件不能P型镁掺杂识别等问题。