Особенности расчёта приборов на основе гетероструктур AlGaN/GaN в САПР

1. Особенности расчёта приборов на основе гетероструктур AlGaN/GaN в САПР приборно-технологического моделирования Д.Г. Дроздов1,2, 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(); • 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. Примеры современных транзисторов а) б) в) Рис. 1 Транзисторы ToshibaTGI5896-50(а), NitronexNPTB00004(б), ФГУП «НПП «Пульсар» (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 : Рис. 2 Зависимость заряда от мольной доли Al • 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. • 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.

6. Квантовые эффекты Двумерное уравнение Шредингера: Рис. 3 Распределение концентрации электронов Квантовый потенциал Бома: Где h – постоянная Планка, α и γ – поправочные коэффициенты, M-1 - тензор обратной эффективной массы, n - плотность носителей заряда. Рис. 4 Распределение концентрации электронов

7. Подвижность носителей заряда Модель Фарахманда (модифицированная модель Коэ - Томаса)1 Рис. 5 Зависимость скорости носителей заряда от электрического поля, полученная с помощью модели Фарахманда Maziar Farahmand,et al. Monte Carlo Simulation of Electron Transport in theIII-Nitride Wurtzite Phase Materials System: Binariesand Ternaries // IEEE Transactions on electron devices, Vol. 48, No. 3, March 2001. P 535-542.

8. Объемные ловушки в GaN Рис. 6 Энергетические уровни глубоких ловушек в GaN Рис. 7 Распределение концентрации электронов с учетом ловушек Таблица 11 Aditya Kalavagunta. Understanding the impact of bulk traps on GaN HEMT DC and RF characteristics (dissertation)

9. Туннелирование посредством фононов (PhAT)1,2 Рис. 8 Обратная вольт-амперная характеристика диода Шоттки сток-затвор Рис. 9 Прямая вольт-амперная характеристика диода Шоттки сток-затвор P. Pipinys, V. Lapeika. Analysis of reverse-bias leakage current mechanisms in metal/GaN Schottky diodes // Advances in Condensed Matter Physics. - 2010. 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.

10. Конструкции гетероструктур 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. 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»

11. Сопоставление результатов: транзистор NPTB00004 а) б) Рис 11. Сравнение входных (а) и выходных (б) вольт-амперных характеристик реального транзистора (сплошная линия) и результатов расчетов (пунктирная линия) Рис 12. Сравнение коэффициентов передачи реального транзистора (красная линия) и результатов расчетов (синяя линия)

12. Сопоставление результатов: транзистор ФГУП «НПП «Пульсар» а) б) Рис 13. Сравнение входных (а) и выходных (б) вольт-амперных характеристик реального транзистора (пунктирная линия) и результатов расчетов (сплошная линия)

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 Локальные источники шума: Флуктуации напряжения: Коэффициент шума: Fmin – минимальный коэффициент шума; Z0 – оптимальный импеданс источника; gn – шумовая проводимость. • 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. • 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.

15. Источники шума Диффузионный шум: Коэффициент диффузии: Шум генерации-рекомбинации: 2) Генерация-рекомбинация с помощью ловушек 1) Прямая генерация-рекомбинация Скорость генерации-рекомбинации: Скорость генерации-рекомбинации: 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. Zhou, B., Butcher, K., Li, X., Tansley, T., "Abstracts of Topical Workshop on III-V Nitrides". TWN '95, Nagoya, Japan, 1995. 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.

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. 19 Зависимость Ic=f(Uзи) Рис. 18 Зависимость Iс=f(Uси) Рис. 20 Зависимость gm=f(Uзи)

18. Характеристики транзистора Рис. 22 Зависимость h21=f(f) Uси = 10 В, Uзи = 0 В Рис. 21 Зависимость NFmin=f(f) Uси = 10 В Рис. 23 Зависимость Gma=f(f) Uси = 10 В, Uзи= 0 В

19. Оптимизация спейсерного слоя AlGaN Рис. 24 Зависимость Iс=f(Uси) Uзи= 0 В Рис. 25 Зависимость NFmin=f(f) Uси = 10 В, Uзи= 0 В 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.

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

21. Влияние объемных ловушек и фонового легирования Объемные ловушки Фоновое легирование Рис. 28 зависимость NFmin=f(f) Uси=10 В, Uзи=0 В Рис. 27 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

22. Влияние барьерного и сильнолегированного слоев AlGaN Барьерный слой AlGaN Сильнолегированный слой AlGaN Рис. 31 зависимость Iс=f(Uси) Uси=10 В, Uзи=0 В Рис. 32 зависимость Iс=f(Uси) Uси=10 В, Uзи=0 В Рис. 33 зависимость NFmin=f(f) Uси=10 В, Uзи=0 В Рис. 34 зависимость NFmin=f(f) 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 Рис. 37 Зависимость тока стока от толщин слоев AlGaN при Uзи = 0 В, Uси = 10 В Рис. 38 Зависимость NFmin от толщин слоев AlGaNпри Uзи = 0 В, Uси = 10 В, f=10 ГГц 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.

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!