毫米波技術領域的不斷進步因其波長減小和頻帶寬而對無線通信系統(tǒng)做出了貢獻。這使制造商能夠設計更小但性能更高的組件。氮化鎵已證明自己在該領域是一種很有前途的半導體，其目標應用包括高功率放大器、寬帶放大器和5G無線網絡。

然而，隨著基于GaN HEMT(高電子遷移率晶體管)的器件的推出，這些特性使其適用于各種下一代毫米波電路。GaN 半導體具有寬帶隙、高飽和電子速度和高擊穿電壓，使其成為可用于高功率、高效率和寬工作帶寬電路的可靠半導體材料。

由于 GaN 已被證明是磷化銦和砷化鎵基器件的更好、更有效的替代品，因此關于毫米波 HEMT 的設計和構造的可用數據不多。這些 HEMT 器件的布局一直是設計階段的障礙，以開發(fā)具有更高效率的各種電源系統(tǒng)。

在研究論文 [1] 中，“基于計算建模的器件設計用于改進 GaN HEMT 的毫米波性能和線性度”，研究人員展示了使用 TCAD 軟件設計具有計算建模的毫米波 GaN HEMT 器件以提高性能和這些設備的線性度。除此之外，科學家們還研究了 AlN/GaN HEMT 和 AlGaN/GaN HEMT 以研究非線性行為。

設計毫米波 (mmW) GaN HEMT 器件時的權衡取舍

據研究人員稱，現有的工作在射頻功率器件中使用基于 TCAD 的設計有限，而它們僅獨立處理特定參數以增強直流和擊穿性能。最近的報告表明，在最大化用于毫米波應用的 HEMT 的 RF 品質因數參數方面的研究有限，同時還審查了設計、性能和非線性權衡。

所做的工作僅限于大信號分析，但沒有報告用于毫米波應用的 RF HEMT 設備的小信號建模。這項新研究通過對設計參數的比較分析來研究射頻性能，例如 AlN 和 AlGaN 勢壘的勢壘類型、橫向縮放和接觸電阻。在之前的報告中，缺少跨導改進與其他設計方面的相關性，試圖解決這一差距。

在 A. Soni 和 M. Shrivastava 所做的工作中，本文介紹了射頻 HEMT 設計的設計策略、工作中使用的計算框架、開發(fā)的方法和設計見解，以了解緩沖層和通道層對毫米波的影響性能，最后討論設計參數。

RF HEMT 器件的設計策略

用于測量器件電流可以被柵極調制的最大頻率的器件截止頻率方程表示對應于器件載流子傳輸的總延遲。

公式 1：器件截止頻率的表達式

其中 g m是跨導，g d是輸出電導，R s和 R d是源極和漏極電阻，C gs和 C gd是柵源和柵漏電容。

總延遲由三個部分組成——內在延遲、寄生延遲和外在延遲。每個延遲分量都會影響器件的頻率性能，這是設計 RF HEMT 器件時需要考慮的重要因素。內在和外在延遲由器件跨導和電容控制，外在延遲是器件寄生電阻和輸出電導的函數。為了有效地設計 RF GaN HEMT 器件，有必要了解這些延遲分量對器件物理參數和偏置條件的影響。

除了延遲之外，器件的非線性性能也是設計方法的一個關鍵因素，它受短溝道器件緩沖區(qū)的固有電阻率影響。器件協(xié)同設計方法將通過模擬表面陷阱對器件截止頻率的影響來幫助研究物理行為。

用于協(xié)同設計的 TCAD 軟件計算框架

作為協(xié)同設計方法的一部分，研究人員選擇研究中使用的器件結構，?？梢钥闯觯攩⒂昧黧w動力學和熱力學傳輸模型時，載流子傳輸承認載流子和晶格加熱。C 型摻雜引起的緩沖陷阱導致雪崩行為，可以預測擊穿電壓。為了計算擊穿電壓，在柵極施加關態(tài)應力時，漏極電流限制為 1mA/mm。

緩沖層和通道層的構建

1. GaN 的設計：盡管是高壓器件的關鍵參數，但 GaN 緩沖層在設計 RF HEMT 器件時并未被視為重要元素，而碳摻雜緩沖層用于大多數高壓 HEMT 堆棧. 緩沖層有一個碳摻雜的 GaN 層，它位于通道和 UID 緩沖區(qū)之間。在 C 摻雜中，在較高的漏極偏置電壓下會降低緩沖漏電流，從而提高系統(tǒng)的擊穿電壓。C 型摻雜中的寄生電容與緩沖層厚度是分開的，因為深放置的緩沖層對通道的放電或充電沒有作用。

2. 溝道背景摻雜的重要性：在 GaN 緩沖器的高無意摻雜 (UID) 中，寄生導電路徑很可能導致漏源漏電流。當通道中存在電流泄漏時，熱電子往往會擴散出通道，這會導致通道限制惡化。這反過來又減少了可用于通道電容充電的總漏極電流，從而導致額外的延遲分量。

不同類型的圖層設計

表面態(tài)和非線性：由于 HEMT 中的 2DEG 對表面態(tài)高度敏感，因此應用了虛擬門的概念，其中虛擬門的形成歸因于電子的俘獲以減少表面上的凈正電荷。在這里，由此產生的場柵極會產生熱載流子，這些載流子有可能使表面陷阱電離，并可能導致 2DEG 及其周圍的耗盡。

勢壘層設計和漏極場引起的 F T漂移：勢壘層的設計是各種重要參數的重要組成部分，例如跨導、柵極泄漏、2DEG 片密度和高頻工作時的器件線性度。在整個實驗過程中，器件的射頻性能與柵極長度縮放一起進行了研究。

結論

從上述模型中，使用經過精心計算和基于物理的方法，研究了使用 TCAD 軟件成功實施設計指南。在模擬過程中，觀察到電離表面陷阱在漂移區(qū)上方 GaN 表面上的擴散隨著漏極場的增加而增加。

然而，GaN HEMT 在減小器件尺寸的同時仍然面臨兩個問題——捕獲效應和自熱，這會導致電流崩塌和扭結效應，從而降低器件性能。由于在生長和器件加工過程中引入的晶體缺陷，俘獲效應發(fā)生在器件的不同位置。

這就是為什么優(yōu)化材料質量和相關工藝技術對于最大限度地減少捕獲效應很重要。盡管 GaN HEMT 仍然是高功率毫米波應用的有吸引力的電子器件，但其魯棒性和可靠性仍在研究中，因為按比例縮放的材料和器件需要展示高穩(wěn)定性、可重復性和均勻性。