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