氮化镓器件性能分析及集成电路设计要点

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 Ga
2O
3
(Gd
2
O
3
)做为栅介质制成；[2]其后在2000 年，J.W.Johnson等
人使用SiO
2/Gd
2
O
3
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Al
2O
3
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,Ga2O
3(Gd
2
O
3
)，MgO，SiO
2
，
MgO，SiNx，Sc
2O
3
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、H
2SO
4
、H
3
PO
4
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N
2中表现稳定，但在HCl和H
2
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-1
2.6 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-1
1.0
2.0 2.2 电子迁移率/cm2V-1s-11350 8500 900 空穴迁移率
/cm2V-1s-1
600 400 850
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N
2
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μ
n =1500cm2/Vs和μ
n
=600cm2/Vs，相应的载流子浓
度为 n=8×1016cm-3和 n=4×1015cm-3。

[3]
2.2 GaN MOSFET器件概述
2.2.1 GaN MOSFET器件结构
器件结构和物理模型参数是计算机器件模拟的重要部分，结构、模型的选取和参数的准确与否对仿真结果有重要的影响。

GaN MOSFET器件结构如图2.1所示，
图2.1 GaN MOSFET结构示意图[3]
GaN基MOSFET器件与Si基MOSFET器件在制作工艺上相似，主要工艺包括衬底层的生长；源漏区的掺杂；栅介质层的选取；器件隔离；欧姆接触和栅极肖特基接触等等。

2.2.1 GaN MOSFET模型参数
作为新兴的化合物半导体材料，GaN 材料的研究尚未成熟，目前还没有标准的GaN 材料模型供参考使用。

对半导体特性影响较大的材料参数主要有：禁带宽度、介电常数、载流子有效质量和有效状态密度等。

1. 禁带宽度
描述半导体特性的最重要参数是禁带宽度，而禁带宽度又受温度影响。

禁带宽度和温度的关系可以用公式（2-1）表示。

()2,0L g g L
T E T E T αβ-+= （2-1） 其中 Eg,0是在绝对零度即 T L =0 时的值。

利用仿真软件 ATLAS 给出的 GaN 的禁带宽度计算公式计算仿真过程中GaN 的禁带宽度，计算公式如下：
()3
2
0.90910830.0g T E GaN T -⨯-+=3.507 （2-2） 2. 介电常数
300K 时， GaN 的介电常数是 8.9。

3. 载流子有效质量
对GaN 材料来说，电子有效质量为m n *=0.2m 0 ，重空穴有效质量为m p *=0.8 m 0。

其中，m 0是自由电子质量。

4. 有效状态密度
有效状态密度可以根据下式来计算： 3/2222n B L C C m k T N M h π⋅⋅⋅⎛⎫=⋅ ⎪⎝⎭
（2-3） 3/2222p B L v v m k T N M h π⋅⋅⋅⎛⎫=⋅ ⎪⎝⎭ （2-4）
其中M C 、M V 表示等效的能量最小值。

3 仿真工具MATLAB 与Pspice
3.1仿真工具MATLAB 简介
MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。

它主要用于算法开发、数据分析、数据可视化以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。

MATLAB功能强大，利用其可以进行数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真，并且以上诸多功能可以集成在一个易于使用的视窗环境中，从而在众多科学领域得到广泛的应用。

与传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）相比，MATLAB 编辑模式改革创新，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。

作为三大数学软件之一，MATLAB功能齐全，应用广泛。

工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域中均可以利用MATLAB实现数值的快速运算，模型的迅速建立。

与之相对应的是MATLAB的矩阵运算、函数和数据绘制、算法实现、用户界面创建、编程语言互联等多项功能。

MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，利用MATLAB来计算问题时相比同类语言，如C、FORTRAN等更加简捷方便。

在最新的版本的MATLAB中加入了对C、FORTRAN、C++等语言的支持，用户在使用MATLAB时可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，也可以直接从网络上下载程序使用。

3.2仿真工具Pspice简介
随着计算机技术的飞速发展和大规模集成电路的广泛应用，电子产品不断地更新换代，电子电路计算机辅助设计（CAD，Computer Aided Design）技术也得到迅速的发展。

在大规模电路CAD领域中，发展得最早、最成熟和使用的最广泛的是计算机辅助分析（CAA）。

而在这方面最具代表性的电路分析程序是SPICE和ASTAP。

SPICE （Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）软件于1972年由美国加州大学伯克利（Berkeley）分校研发而成，它使用改进的节点电压法列写方程，主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。

SPICE的正式版SPICE 2G在1975年正式推出，此后的几十年间，SPICE不断发展，目前已成为最为流行的电子电路仿真软件。

SPICE和PSPICE软件可以对模拟电路进行非线性直流分析和瞬态分析、线性交流分析、不同温度分析和容差分析等多种分析。

同样可以对数字电路和数字/模拟混合电路进行分析和优化；所分析的电路中，包括了各种常用的电子电路元器件。

所以说，SPICE是一个多功能的电路模拟试验台，并已成为一种工业标准工具。

PSPICE功能强大，集成度高，具有电路图绘制、电路模拟仿真、图形处理和元
器件符号制作等多种功能，它以图形方式输入，并能自动进行电路检查、生成图表、
模拟和计算电路，图形界面友好，操作简单，易学易用且其进行电路仿真时快速准确，
实用性强，仿真效果好。

PSPICE是计算机辅助分析设计中的电路模拟软件。

在设计的电路硬件实现之前，
利用PSPICE先对电路进行模拟分析，可以为电路设计人员节省了大量的时间，同时
节省了各种仪器设备，且PSPICE仿真结果与生产产品一致性好、可靠性高，从而提
高了产品的更新率、缩短了新产品投放市场时间。

3.3 MATLAB和Pspice的联合使用
目前所做的对GaN的计算机模拟仿真多以SILVACO软件为主，利用其中的
Athena/Atlas软件包，可以方便的对GaN材料进行工艺和器件仿真。

PSPICE软件未
对GaN材料建库，在利用PSPICE软件对GaN材料进行MOSFET仿真时，需要建立GaN
MOSFET的器件模型。

而利用PSPICE软件提供的模型编辑器建立模型之前，用MATLAB
软件方针得到GaN MOSFET的特性曲线，然后利用描点法即可在PSPICE软件中建立
GaN MOSFET的器件模型，即建立一个各项参数体现GaN材料性质的MOSFET。

GaN MOSFET 的PSPICE模型创建过程：
1利用MATLAB仿真得到GaN MOSFET的特性曲线；
2在GaN MOSFET的特性曲线上选取合适点代入PSPICE软件的Model Editor，建
立PSPICE模型；
3利用所建PSPICE模型得到GaN MOSFET的特性曲线，对比曲线的不同。

4GaN MOSFET器件模拟
4.1GaN MOSFET器件结构及基本特性模拟
GaN MOSFET 器件的结构如图 4.1 所示，器件设计在厚度为2μm的p型GaN材
料上，以Mg作为受主杂质，浓度取为1017cm-3，沟道掺杂浓度同样选取为1017cm-3。

采
用SiO
作为栅介质，其厚度为0.01μm。

采用多晶硅做栅极材料，多晶硅为1015 cm-3 2
浓度掺杂的n+-poly-Si。

栅长取为1μm，器件宽度设为5μm。

在模拟过程中，GaN 的
电子迁移率μ
设置为 900cm2/Vs。

n
图4.1 GaN MOSFET 结构示意图
PSPICE 中MOSFET 器件参数有42个，其中几个重要参数之一是阈值电压Vth 。

阈值电压使源端半导体表面达到强反型的栅压，是区分MOS 器件导通和截止的分界点。

阈值电压受栅极电容、沟道掺杂浓度和栅极金属功函数等的影响，其计算公式如下所示：
2T FB B O
V V ψ=+ （4-1） f m ot
FB ms O
Q Q Q V C φ++=-
（4-2）
其中V FB 是平带电压，Co 为栅氧电容,B ψ为费米势，ms φ为功函数差。

费米势的表达式如下所示：
()ln B i
kT N
T q n ψ=-
（4-3）
公式（4-3）中，N 为电离杂质浓度，n i 为本征载流子浓度。

功函数差的表达式如下所示：
poly ms 2
i =ln
n A
N N KT φ- （4-4）
半导体材料中本征载流子浓度n i 的计算公式可以表示为:
()
()2g i E T n T kT ⎛⎫
=
- ⎪⎝⎭
（4-5）
对于GaN 材料，公式（2-5）和公式（2-6）可以简化为：
()3/2
182.6510300c T N T ⎛⎫
=⨯⨯ ⎪⎝⎭ （4-6）
()3/2
19
2.510300v T N T ⎛⎫
=⨯⨯ ⎪
⎝⎭
（4-7）
MOSFET 器件的另一个重要参数是漏电流I D ，当栅极电压绝对值大于阈值电压绝对值时，栅极下面的反型层形成导电沟道，源极和漏极接通，加上电压后即可产生漏源电流。

对应不同的源漏电压情况，MOSFET 器件分为线性区和饱和区两个工作区域。

当源漏电压较小时，沿沟道方向的电位变化较小，漏电流随源漏电压线性变化，称为线性区。

当源漏电压比较大时，沟道在漏极附近产生夹断，在夹断点和漏极之间反型的载流子非常少，产生一个高阻区，源漏电压主要降落在高阻区上，所以夹断点和漏极有一个很强的电场。

导电沟道中的载流子在漏源电压的作用下，由源端持续不断的向漏端漂移，到达夹断点时，立即被夹断区的强电场扫入漏区，形成漏极电流。

随着源漏电压的增大，增加的电压主要降落在高阻区，漏电流基本不随源漏电压的增加而变化，称为饱和区。

线性区和饱和区的漏电流I D 可以由公式（4-8）和公式（4-9）表示。

漏电流I D 的计算公式可以表示为：
()()D ox G T D W I T C V V V L μ⎛⎫
=- ⎪⎝⎭
（线性区 ） （4-8）
()()212D ox G T W I T C V V L μ⎛⎫
=
- ⎪⎝⎭
（饱和区 ） （4-9） 其中W/L 是器件的宽长比，μn 是电子的迁移率，C ox 是栅极电容，V T 是阈值电压。

器件的输出特性表征了源漏电压对沟道电流的控制能力，是在栅极电压一定的情况下，漏电流和源漏电压的关系曲线；器件的转移特性表征了栅极电压对沟道的控制能力，是在源漏电压一定的情况下，漏电流随着栅压的变化曲线。

图4.2 给出了 GaN MOSFET 器件的转移特性和输出特性 matlab 模拟结果。

Vgs(V)
D r a i n C u r r e n t (m A )
Transfer Characteristics of a MOSFET
(a)
2
4
68
10
12
510
15
20
25
Vds(V)
D r a i n C u r r e n t (m A )
Output Characteristics of a MOSFET
(b)
图4.2 GaN MOSFET 器件Matlab 仿真结果(a)转移特性(b)输出特性
从图4.2中可以得出设定的GaN MOSFET 器件的阈值电压约为0.2V 左右；当Vgs
为8V 时，得到器件的饱和漏电流约为24mA 左右。

利用得到的数据，建立GaN MOSFET 的Pspice 模型。

图4.3 给出了 GaN MOSFET 器件的转移特性和输出特性 Pspice 建模仿真结果。

V_Vgs
0V
2V
4V
6V
8V
10V
I(M1:d)
0A 10mA
20mA
30mA
(a)
V_Vds
0V
2V
4V
6V
8V
10V
12V
I(M1:d)
0A 10mA 20mA
30mA
Vgs=8V
Vgs=6V
Vgs=4V
Vgs=2V
(b)
图4.3 GaN MOSFET 器件Pspice 仿真结果(a)转移特性(b)输出特性
从图4.3中可以得出GaN MOSFET 的阈值电压在0.25V 左右；当Vgs 为8V 时,得到器件的饱和漏电流约为20mA 。

对由图4.2与图4.3中得到的数据对比分析可以看出，在对GaN MOSFET 器件基本特性的仿真分析上，Matlab 与Pspice 的仿真结果误差较小，在精确度要求不高时可以相互代换。

对以Si 和GaAs 为半导体材料构建的MOSFET 的基本特性进行仿真，得到的仿真结果如图4.4所示。

V_Vgs
0V
2V
4V
6V
8V
10V
ID(M1)
0A 200uA
400uA
600uA
800uA
(a)
V_Vds
0V
2V
4V
6V
8V
10V
12V
ID(M1)
0A 200uA
400uA
600uA
800uA
Vgs=8V
Vgs=6V
Vgs=4V
Vgs=2V
(b)
图4.4 Si MOSFET 器件Pspice 仿真结果(a)转移特性(b)输出特性
对比图 4.3与图 4.4可以轻易看出，在相同的栅源电压和源漏电压下，GaN MOSFET 的漏电流远远高于Si MOSFET 。

仅从两图的数据上看，GaN MOSFET 的漏电流
是Si MOSFET 漏电流的30倍左右。

总体看来，GaN MOSFET 比Si MOSFET 具有更好的转移特性和输出特性，可以满足更大的电流要求，仅从器件工作性能上分析，GaN MOSFET 比Si MOSFET 具有更好的大功率性能，从而满足半导体器件日益增加的对大功率的要求。

4.2 GaN MOSFET 器件直流特性模拟
4.2.1 沟道掺杂浓度对 GaN MOSFET 器件特性的影响
由公式（4-3）（4-4）可以看出，费米势和金属半导体的功函数差两者均与沟道掺杂浓度N A 有关，它们的关系可以表示为：
ms B A N ψφ∝ （4-10） 其中A N 为沟道掺杂浓度。

GaN 材料的p 型掺杂一直较为困难，是目前GaN 器件研发过程中亟待解决的一个难题。

目前在GaN 的p 型掺杂过程中普便采用的受主杂质是Mg ，利用Mg 做受主杂质可以得到最高为1019cm -3的空穴掺杂浓度[3]。

模拟过程中，选择GaN MOSFET 的沟道掺杂浓度在1016 cm -3与1018 cm -3之间变化。

图4.5是不同沟道掺杂浓度下 GaN MOSFET 的转移特性的仿真结果。

Vgs(V)
D r a i n C u r r e n t (m A )
Transfer Characteristics of a MOSFET
图4.5不同沟道掺杂浓度下 GaN MOSFET 的转移特性
由图4.5可以看出，阈值电压随掺杂浓度的提高而增大。

沟道掺杂浓度为1016
cm -3时，阈值电压最小，为0.05V ；沟道掺杂浓度为1018 cm -3
时，阈值电压最大，为0.29V 。

由式（4-9）可知，费米势与功函数差与沟道掺杂浓度成正比，沟道掺杂浓度增大时，费米势与功函数差增大，使器件达到反型时所需栅极电压增大。

沟道掺杂浓度的提高在使阈值电压增大的同时，会使材料的杂质散射增强，从而是载流子迁移率降低，使饱和漏电流降低。

4.2.2 栅长对 GaN MOSFET 器件特性的影响
栅长对GaN MOSFET 的性能有重要影响，栅长主要影响载流子在栅下的渡越时间，简单来说，栅长越长，载流子的运行路径就越长，器件的工作速度也越慢；栅长越短，载流子的运行路径就越短，器件的工作速度也越快。

模拟过程中，选择GaN MOSFET 的栅长在0.8μm 与3μm 之间变化。

图4.6是不同栅长下 GaN MOSFET 的转移特性的仿真结果。

Vgs(V)
D r a i n C u r r e n t (m A )
Transfer Characteristics of a MOSFET
图4.6 不同栅长下 GaN MOSFET 的转移特性
图4.6给出了Vds=5V 时，GaN MOSFET 的转移特性与栅长的关系。

从图中可以看出，随着栅长增大，阈值电压也随之增大。

栅长对转移特性影响很大，对输出特性的影响也很大。

从 MOSFET 的经典理论可知，栅长较短时，MOSFET 拥有较高的漏极电流和较强的电流载荷能力，器件在功
率方面表现更加出色。

图 4.6 是 GaN MOSFET 在栅压为8V 时，不同栅长下GaN MOSFET 的输出特性。

Vds(V)
D r a i n C u r r e n t (m A )
Output Characteristics of a MOSFET
图4.7不同栅长下 GaN MOSFET 的输出特性
从图中可以看出随着栅长的增大，沟道电阻增大，饱和漏电流减小。

在栅长为 0.7μm 时，器件获得最大饱和漏电流为 35mA 。

栅长的缩短导致漏极电流逐渐增大，所以缩短栅长可以有效的提高电流的载荷能力，从而改善器件的功率特性。

4.3 GaN MOSFET 器件温度特性模拟
由公式（4-1）、（4-2）可以得到MOSFET 简化阈值电压公式如下：
()()ox ms ox ox
+2B
T B Q Q V T T C C φψ=-
+
（4-11） B Q (4-12) 其中，ox C 是栅氧化层电容，ox Q 是界面态与固定正电荷，ms φ是金属半导体功函数差。

可以认为ms φ、ox Q 、ox C 与温度基本无关。

设定参考温度为300K ，假定禁带宽度随温度的变化可以忽略,利用级数展开求近似的方法可以得到阈值电压与温度关系的近似
式，如下：
()()()
()g 1=300|300|13003002q T T B E V T V T ψ⎡⎤⎛⎛⎫⎢⎥ --+- ⎪ ⎢⎥⎝⎭⎝⎣
⎦ (4-11) 由此可见，阈值电压随温度的升高而降低，并且两者之间呈线性关系。

对GaN MOSFET 的温度特性进行仿真，得到转移特性曲线与输出特性曲线对温度的关系，如图4.5所示：
V_Vgs 0V 2V
4V 6V 8V 10V
I(M1:d)0A
10mA
20mA 30mA
T=500K T=400K
T=300K
（a ）
V_Vds 0V 2V
4V 6V
8V 10V 12V I(M1:d)0A
20mA 40mA
Vgs=8V
T=500K
T=400K
T=300K
(b)
图4.6 不同温度下GaN MOSFET 特性曲线（a ）转移特性（b ）输出特性
由图4.5（a ）看出，GaN MOSFET 的阈值电压随温度的升高而降低，与理论符合。

分析可知，器件阈值电压变化的主要原因是费米势随温度的升高而衰减。

由式（4-3）知，电离杂质浓度和GaN 材料的本征载流子浓度会影响费米势的变化趋势，而它们受
温度影响。

对半导体材料器件而言，温度的升高会使掺杂杂质的离化率提高，从而使电离杂质离子浓度提高，同时本征载流子浓度也会增大。

两者的综合作用使得费米势逐渐靠近禁带中心，使达到器件反型所需要施加栅压变小，即阈值电压降低。

由图4.5（b）看出，温度的升高时，GaN MOSFET输出特性变差，漏极电流变小，器件发生退化。

室温时，Vgs=8V下，饱和漏电流约为32mA左右；温度为500K时，饱和漏电流为15mA左右。

由式（4-8）（4-9）分析知，GaN MOSFET 输出特性随温度的衰退，主要是由阈值电压和迁移率对温度的响应引起的。

载流子的迁移率由半导体内的各种散射机制制约，而温度对散射机制有重要的影响。

温度较低时载流子受电离杂质散射的影响较大，温度的升高时，载流子运动速率增大，电离杂质散射大大被削弱，晶格振动成为主要散射机制，迁移率随温度的升高迅速下降。

5GaN MOSFET器件在集成电路中的应用
研究GaN MOSFET在集成电路中的应用，主要是研究已建立的GaN MOSFET模型在放大电路中的应用。

5.1 GaN MOSFET在反馈放大电路中的应用
如图5.1建立GaN MOSFET的反馈放大电路，交流电压值设为100mV，直流电压值设为15V，各电阻电容值如图所示。

图 5.1GaN MOSFET反馈放大电路。