AlGaN/GaN 高速电子迁移率晶体管器件电流坍塌效应与界面热阻和温度的研究

顾江; 王强; 鲁宏

doi:10.7498/aps.60.077107

摘要

本文系统研究了AlGaN/GaN基高速电子迁移率晶体管器件界面热阻和工作温度对器件在高功率下的电流坍塌效应的影响规律.研究发现低漏极电压下热电子是导致负微分输出电导的重要因素,器件工作温度变高会使负微分输出电导减小.高漏极电压下自加热效应是导致电流坍塌的一个重要因素.随着界面热阻的增加,器件跨导降低,阈值电压增大.同时,由于工作环境温度的增高,器件随之温度增高,载流子迁移率会显著降低. 最终这两种因素会引起AlGaN/GaN基高速电子迁移率晶体管器件显著的电流坍塌效应,从而降低了器件整体性能.

关键词:

Abstract

The effects of operating temperature and the interfacial thermal resistance on device are researched by using a two-dimensional numerical simulator. A comparison between the simulated results and the experiment data demonstrates that hot electrons make a significant contribution to the negative differential output conductance which will increase with the increase of the work temperature under low drain voltage, and under upper drain voltage, the self-heating effect is an important factor to the current collapse which will become more serious with the work temperature and interfacial thermal resistance inereasing.

Keywords:

作者及机构信息

(1)常熟理工学院物理电子系,常熟 215500; (2)南通大学电子信息学院,南通 226019

Authors and contacts

(1)Department of Physics and Electronic, Changshu Institute of Technology, Changshu 215500, China; (2)School of Electronics and Information, Nantong University, Nantong 226019, China

参考文献

[1]	Gu W P, Hao Y, Zhang J C, Wang C, Feng Q, Ma X H 2009 Acta. Phys. Sin. 58 0511 (in Chinese) [谷文萍、郝跃、张进城、王冲、冯倩、马晓华 2009 58 511]
[2]	Hu W D, Chen X S, Quan Z J, Zhang M X, Huang Y, Xia C S, Lu W, Ye D P 2007 J. Appl. Phys. 102 034502
[3]	Ding G J, Guo L W, Xing Z G, Chen Y, Xu P Q, Jia H Q, Zhou J M, Chen H 2010 Acta Phys. Sin. 59 5724 (in Chinese) [丁国建、郭丽伟、邢志刚、陈耀、徐培强、贾海强、周均铭、陈弘 2010 59 5724]
[4]	Hu W D, Chen X S, Quan Z J, Xia S C, Lu W, Yuan H J 2006 Appl. Phys. Lett. 89 243501
[5]	Hu W D, Chen X S, Quan Z J, Xia S C, Lu W, Ye P D 2006 J. Appl. Phys. 100 074501
[6]	Xi G Y, Ren F, Hao Z B, Wang L, Li H T, Jiang Y, Zhao W, Han Y J, Luo Y 2008 Acta Phys. Sin. 57 7238 (in Chinese) [席光义、任凡、郝智彪、汪莱、李洪涛、江洋、赵维韩、彦军、罗毅 2008 57 7238]
[7]	Simin G, Yang J Z, Koudymov A, Adivarahan V, Yang J, Khan M A 2006 Appl. Phys. Lett. 89 033510
[8]	Wang L, Hu W D, Chen X S, Lu W 2010 J. Appl. Phys. 108 054501
[9]	Wang C, Quan S, Zhang J F, Hao Y, Feng Q, Chen J F 2009 Acta. Phys. Sin. 58 1966 (in Chinese) [王冲、全思、张金凤、郝跃、冯倩、陈军峰 2009 58 1966]
[10]	Hu W D, Chen X S, Zhou X C, Quan Z J, Lu W 2006 Microelectronics Journal 37 613
[11]	Braga N, Mickevicius R, Gaska R, Hu X, Shur M S, Asif K M, Simin G, Yang J 2004 J. Appl. Phys. 95 6409
[12]	Wang L, Hu W D, Chen X S, Lu W 2010 Acta. Phys. Sin. 59 5730 (in Chinese)[王林、胡伟达、陈效双、陆卫 2010 59 5730]
[13]	Brag N, Mickevicius R, Gaska R, Shur M S, Asif K M, Simin G 2004 Appl. Phys. Lett. 85 4780
[14]	Hu W D, Chen X S, Yin F, Zhang J B, Lu W 2009 J. Appl. Phys. 105 084502
[15]	Wei W, Lin R B, Feng Q, HaoY 2008 Acta Phys. Sin. 57 467(in Chinese)[魏巍、林若兵、冯倩、郝跃 2008 57 467]
[16]	Hao L C, Duan J L, 2010 Acta. Phys. Sin. 59 2746(in Chinese)[郝立超、段俊丽 2010 59 2746]
[17]	Vetury R, Naiqain Zhang Q, Stacia Keller, Mishra K U 2001 IEEE Trans.Electron Devices 48 560
[18]	Kong Y C, Zheng Y D, Zhou C H, Deng Y Z , Gu S L, Shen B, Zhang R, Han P, Jiang R L, Shi Y 2004 Acta. Phys. Sin. 53 2320(in Chinese)[孔月婵、郑有窦、周春红、邓永桢、顾书林、沈波、张荣、韩平、江若琏、施毅 2004 53 2320]
[19]	Bykhovski A D, Gaska R, Shur M S 1998 Appl. Phys. Lett. 73 24
[20]	Liu L J, Yue Y Z, Zhang J C, Ma X H, Dong Z D, Hao Y 2009 Acta. Phys. Sin. 58 536 (in Chinese) [刘林杰、岳远征、张进城、马晓华、董作典、郝跃 2009 58 536]
[21]	Yu L S, Ying Q J, Qiao D, Lau S S, Boutros K S, Redwing J M 1998 Appl. Phys. Lett. 73 26
[22]	Valentin O Turina, Alexander A 2006 J. Appl. Phys. 100 054501
[23]	Vitusevich S A, Danylyuk S V, Klein N, Petrychuk M V, Avksentyev A Yu, Sokolov V N, Kochelap V A, Belyaev A E, Tilak V, Smart J, Vertiatchikh A, Eastman L F 2003 Appl. Phys. Lett. 82 748
[24]	Gaska R, Osinsky A, Yang J W, Shur M S 1998 IEEE Elect. Dev. Lett. 19 89
[25]	Feng Q, Tian Y, Bi Z W, Yue Y Z, Ni J Y, Zhang J C, Hao Y, Yang L A 2009 Chin. Phys. B 18 3014
[26]	Fan L, Hao Y, Zhao Y F, Zhang J C, Gao Z Y, Li P X 2009 Chin. Phys. B 18 2912

施引文献

[1]	Gu W P, Hao Y, Zhang J C, Wang C, Feng Q, Ma X H 2009 Acta. Phys. Sin. 58 0511 (in Chinese) [谷文萍、郝跃、张进城、王冲、冯倩、马晓华 2009 58 511]
[2]	Hu W D, Chen X S, Quan Z J, Zhang M X, Huang Y, Xia C S, Lu W, Ye D P 2007 J. Appl. Phys. 102 034502
[3]	Ding G J, Guo L W, Xing Z G, Chen Y, Xu P Q, Jia H Q, Zhou J M, Chen H 2010 Acta Phys. Sin. 59 5724 (in Chinese) [丁国建、郭丽伟、邢志刚、陈耀、徐培强、贾海强、周均铭、陈弘 2010 59 5724]
[4]	Hu W D, Chen X S, Quan Z J, Xia S C, Lu W, Yuan H J 2006 Appl. Phys. Lett. 89 243501
[5]	Hu W D, Chen X S, Quan Z J, Xia S C, Lu W, Ye P D 2006 J. Appl. Phys. 100 074501
[6]	Xi G Y, Ren F, Hao Z B, Wang L, Li H T, Jiang Y, Zhao W, Han Y J, Luo Y 2008 Acta Phys. Sin. 57 7238 (in Chinese) [席光义、任凡、郝智彪、汪莱、李洪涛、江洋、赵维韩、彦军、罗毅 2008 57 7238]
[7]	Simin G, Yang J Z, Koudymov A, Adivarahan V, Yang J, Khan M A 2006 Appl. Phys. Lett. 89 033510
[8]	Wang L, Hu W D, Chen X S, Lu W 2010 J. Appl. Phys. 108 054501
[9]	Wang C, Quan S, Zhang J F, Hao Y, Feng Q, Chen J F 2009 Acta. Phys. Sin. 58 1966 (in Chinese) [王冲、全思、张金凤、郝跃、冯倩、陈军峰 2009 58 1966]
[10]	Hu W D, Chen X S, Zhou X C, Quan Z J, Lu W 2006 Microelectronics Journal 37 613
[11]	Braga N, Mickevicius R, Gaska R, Hu X, Shur M S, Asif K M, Simin G, Yang J 2004 J. Appl. Phys. 95 6409
[12]	Wang L, Hu W D, Chen X S, Lu W 2010 Acta. Phys. Sin. 59 5730 (in Chinese)[王林、胡伟达、陈效双、陆卫 2010 59 5730]
[13]	Brag N, Mickevicius R, Gaska R, Shur M S, Asif K M, Simin G 2004 Appl. Phys. Lett. 85 4780
[14]	Hu W D, Chen X S, Yin F, Zhang J B, Lu W 2009 J. Appl. Phys. 105 084502
[15]	Wei W, Lin R B, Feng Q, HaoY 2008 Acta Phys. Sin. 57 467(in Chinese)[魏巍、林若兵、冯倩、郝跃 2008 57 467]
[16]	Hao L C, Duan J L, 2010 Acta. Phys. Sin. 59 2746(in Chinese)[郝立超、段俊丽 2010 59 2746]
[17]	Vetury R, Naiqain Zhang Q, Stacia Keller, Mishra K U 2001 IEEE Trans.Electron Devices 48 560
[18]	Kong Y C, Zheng Y D, Zhou C H, Deng Y Z , Gu S L, Shen B, Zhang R, Han P, Jiang R L, Shi Y 2004 Acta. Phys. Sin. 53 2320(in Chinese)[孔月婵、郑有窦、周春红、邓永桢、顾书林、沈波、张荣、韩平、江若琏、施毅 2004 53 2320]
[19]	Bykhovski A D, Gaska R, Shur M S 1998 Appl. Phys. Lett. 73 24
[20]	Liu L J, Yue Y Z, Zhang J C, Ma X H, Dong Z D, Hao Y 2009 Acta. Phys. Sin. 58 536 (in Chinese) [刘林杰、岳远征、张进城、马晓华、董作典、郝跃 2009 58 536]
[21]	Yu L S, Ying Q J, Qiao D, Lau S S, Boutros K S, Redwing J M 1998 Appl. Phys. Lett. 73 26
[22]	Valentin O Turina, Alexander A 2006 J. Appl. Phys. 100 054501
[23]	Vitusevich S A, Danylyuk S V, Klein N, Petrychuk M V, Avksentyev A Yu, Sokolov V N, Kochelap V A, Belyaev A E, Tilak V, Smart J, Vertiatchikh A, Eastman L F 2003 Appl. Phys. Lett. 82 748
[24]	Gaska R, Osinsky A, Yang J W, Shur M S 1998 IEEE Elect. Dev. Lett. 19 89
[25]	Feng Q, Tian Y, Bi Z W, Yue Y Z, Ni J Y, Zhang J C, Hao Y, Yang L A 2009 Chin. Phys. B 18 3014
[26]	Fan L, Hao Y, Zhao Y F, Zhang J C, Gao Z Y, Li P X 2009 Chin. Phys. B 18 2912

[1]	王帅, 葛晨, 徐祖银, 成爱强, 陈敦军. 微波GaN器件温度效应建模. , 2024, 73(17): 177101. doi: 10.7498/aps.73.20240765
[2]	郝蕊静, 郭红霞, 潘霄宇, 吕玲, 雷志锋, 李波, 钟向丽, 欧阳晓平, 董世剑. AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件中子位移损伤效应及机理. , 2020, 69(20): 207301. doi: 10.7498/aps.69.20200714
[3]	刘静, 王琳倩, 黄忠孝. 基于凹槽结构抑制AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管电流崩塌效应. , 2019, 68(24): 248501. doi: 10.7498/aps.68.20191311
[4]	张岩, 董刚, 杨银堂, 王宁, 王凤娟, 刘晓贤. 考虑自热效应的互连线功耗优化模型. , 2013, 62(1): 016601. doi: 10.7498/aps.62.016601
[5]	马骥刚, 马晓华, 张会龙, 曹梦逸, 张凯, 李文雯, 郭星, 廖雪阳, 陈伟伟, 郝跃. AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管中kink效应的半经验模型. , 2012, 61(4): 047301. doi: 10.7498/aps.61.047301
[6]	曹磊, 刘红侠. 新型SOANN埋层SOI器件的自加热效应研究. , 2012, 61(17): 177301. doi: 10.7498/aps.61.177301
[7]	余晨辉, 罗向东, 周文政, 罗庆洲, 刘培生. 新型双异质结高电子迁移率晶体管的电流崩塌效应研究. , 2012, 61(20): 207301. doi: 10.7498/aps.61.207301
[8]	姚洪斌, 郑雨军. NaI分子的非绝热效应. , 2011, 60(12): 128201. doi: 10.7498/aps.60.128201
[9]	朱正和, 蒙大桥. 锕系元素钍到锿的5f电子效应. , 2011, 60(4): 040301. doi: 10.7498/aps.60.040301
[10]	王林, 胡伟达, 陈效双, 陆卫. AlGaN/GaN HEMT器件电流坍塌和膝点电压漂移机理的研究. , 2010, 59(8): 5730-5737. doi: 10.7498/aps.59.5730
[11]	郝立超, 段俊丽. 表面电荷与体陷阱对GaN基HEMT器件热电子和量子效应的影响研究. , 2010, 59(4): 2746-2752. doi: 10.7498/aps.59.2746
[12]	董浩, 任敏, 张磊, 邓宁, 陈培毅. 电流驱动磁化翻转中的热效应. , 2009, 58(10): 7176-7182. doi: 10.7498/aps.58.7176
[13]	魏巍, 林若兵, 冯倩, 郝跃. 场板结构AlGaN/GaN HEMT的电流崩塌机理. , 2008, 57(1): 467-471. doi: 10.7498/aps.57.467
[14]	席光义, 任凡, 郝智彪, 汪莱, 李洪涛, 江洋, 赵维, 韩彦军, 罗毅. AlGaN表面坑状缺陷及GaN缓冲层位错缺陷对AlGaN/GaN HEMT电流崩塌效应的影响. , 2008, 57(11): 7238-7243. doi: 10.7498/aps.57.7238
[15]	郝跃, 韩新伟, 张进城, 张金凤. AlGaN/GaN HEMT器件直流扫描电流崩塌机理及其物理模型. , 2006, 55(7): 3622-3628. doi: 10.7498/aps.55.3622
[16]	焦一鸣, 龙永兴, 董家齐, 石秉仁, 高庆弟. 俘获电子效应对低杂波电流驱动的影响. , 2005, 54(1): 180-185. doi: 10.7498/aps.54.180
[17]	杨林安, 张义门, 龚仁喜, 张玉明. 4H-SiC射频功率MESFET的自热效应分析. , 2002, 51(1): 148-152. doi: 10.7498/aps.51.148
[18]	邵磊, 霍裕昆, 王平晓, 孔青, 袁祥群, 冯量. 场极化方向对强激光加速电子效应的影响. , 2001, 50(7): 1284-1289. doi: 10.7498/aps.50.1284
[19]	黄朝松；任兆杏；邱励俭. LINE-TYING效应对热电子交换模的影响. , 1987, 36(8): 1028-1032. doi: 10.7498/aps.36.1028
[20]	朱昂如, 吴西林. 用能化电子效应考察二次离子的发射机理. , 1984, 33(10): 1475-1479. doi: 10.7498/aps.33.1475

计量

文章访问数: 10144
PDF下载量: 1011
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

搜索

留言板