增強型GaN HEMT的汲極電流特性

作者 : Maurizio Di Paolo Emilio,Power Electronics News主編

GaN HEMT可以採用兩種不同的結構開發出來,包括金屬-絕緣層-半導體(MIS)結構和閘極注入電晶體(GIT)結構。MIS結構具有受電壓驅動的小閘極漏電流,而GIT則具有脊形結構和高閾值電壓...

基於氮化鎵(GaN)的增強型高電子遷移率電晶體(HEMT)可以採用兩種不同的結構開發出來。這兩種增強型結構是金屬-絕緣層-半導體(metal-insulator–semiconductor;MIS)結構和閘極注入電晶體(gate-injection transistor;GIT)結構。MIS結構具有受電壓驅動的小閘極漏電流,而GIT則具有脊形結構和高閾值電壓。兩者也都有一些缺點。MIS對閘極干擾的可靠性較低,閾值電壓較低,而GIT的閘極開關速度較慢,閘極漏電流較大。

1給出了用於測試這兩種結構的設置。可以對MIS和GIT兩種結構使用單一模型。GIT用於開發使用電流模型的等效電路,而MIS則用於核心汲極電流建模。隨後就可使用S參數測量值評估兩種元件中的每一個電路。

元件結構

1a顯示MIS電晶體的基本結構以及嵌入式源極場板(embedded source field plate;ESFP)。此處使用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)技術在其上形成氮化矽(SiN)鈍化層。並使用了載流子密度為1.4×1,013cm2、遷移率為1,203cm2V/s、薄層電阻為382Ω/sq的二維電子氣(2DEG)薄片。然後將由位於金屬間電介質MO膜頂部的500nm厚二氧化矽(SiO2)膜所製成的閘極在鈍化膜上延伸,從而使Cgs降低。ESFP將閘漏電場分成兩個峰值。這會由於負偏壓而降低電子密度,並在主動偏壓下增加閘極絕緣膜下的密度。

1b顯示脊型GIT電晶體和源極場板(SFP)的基本結構。其結構有一個作為阻擋層的10nm氮化鋁鎵(AlGaN)層和一個60nm的P-GaN層。在使用ICP蝕刻機蝕刻表面後,閘極表面採用100nm厚的SiN膜進行保護。汲極和源極也由蝕刻的SiN膜形成,從而產生歐姆電極。源極在閘極上方延伸到汲極側以形成SFP。SFP將閘極到汲極的電場分成兩個峰值,從而降低了閘極邊緣下方的電場強度。這些實驗中所使用的測量值包括:Lmask=0.8mm,Wmask=100mm,源極到閘極距離=0.9mm,閘極到汲極距離=3.5mm,以及閘極電容(Cox)——這個值可以使用閘極氧化膜厚度(Tox)和SiO2的介電常數(εox)計算取得。如2b所示,為了使用PN二極體空穴注入中所累積的電子密度準確計算閘極通道電容(Cch)非常困難。因此要在任何參數提取過程開始之前測量Cch

圖1:簡化的測試結構。

圖2:閘極的放大圖。

汲極電流方程式

MIS-HEMT的閘氧化層電容

脊形HEMT的閘極至溝道電容

脊形GIT HEMT的蕭特基接觸接面和PN接面如2b所示。通道區由P型閘極至2DEG區以及來自通道的空穴注入所組成。汲極電流的導數具有合併的單位面積閘極通道電容(Cch)。

閾值電壓

電子遷移率

汲源電阻

等效電路

3顯示MIS和脊形HEMT兩種模型具有相同的巨集電路。主HEMT電晶體用作FET以減少汲極電場;次電晶體用作SFP。4給出了MIS和脊形HEMT兩種類型具有固有小卜水弓十訊號的交流等效電路。

金屬互連電感標記為Lg、Ld和Ls,而閘極電容標記為Cgs和Cgd——它們使用經驗函數分為常數電容(Cgs0和Cgd0)和偏置相關電容。漏源電容標記為Cds。擴散電阻為Rdis_T,而擴散電容標記為Cdis_T和Cgdis。閘源內阻為ri。閘極、汲極和源極電阻分別由Rg、Rd_T和Rs_T表示。閘漏電阻由Rgd表示。可擴展閘極電容Cgs_sfp和Cgd_sfp與Cds並聯,因為ESFP必須連接在汲極和接地之間。

閘極注入PN二極體中脊形HEMT的擴散電容(C_diffusion)和接面電容(C_junction)如4b所示。此處使用的端子位於源極和閘極之間。C_diffusion甚至可以作為Cdis_T工作。

圖3:MIS和脊形HEMT模型的電路。
Equivalent circuits 

圖4:等效電路。

實驗與討論

此處使用了具有脈衝測量模式的曲線追蹤器測量所採用兩種電晶體結構之直流特性。為此提供的偏置具有100ms的脈衝寬度和50%的週期。

在實驗之前使用多閘極長度和寬度的元件進行測量,以便獲得線性和飽和汲極電流、閾值電壓的模型參數,以及閘極通道中的長度和寬度依賴性。

該模型具有高精度,可用於MIS和脊形HEMT兩種元件而在線性區和飽和區激發靜態汲極電流。這清楚地呈現在56中。S參數測量以及小訊號交流表徵可以有效地用於等效電路的評估。

Measured and simulated Ids-Vgs 

圖5:測量和模擬得到的Ids-Vgs

圖6:測量和模擬得到的Ids-Vds

總結

本文總結了HEMT的兩種模型:汲極電流模型MIS和脊型GIT。用於交流和瞬態模擬的小訊號等效電路模型也使用測量值和S參數製作。對於脊形HEMT,本文詳細討論了閘極漏電流模型以及過量汲極電流。汲極電流模型的其他修改方程可以使用MIS-HEMT模型創建。

結合使用HSPICE與Verilog-A語言,可以創建此模型。測試設置與該模型及其參數配合良好,可應用於電源設計。此外,還可以設計瞬態和雜訊等效電路以及模型方程,更快速地開關電源。

(參考原文:Drain-Current Characteristics of Enhancement-Mode GaN HEMTs ,by Maurizio Di Paolo Emilio)

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