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新型高频场效应器件特性与建模技术研究

徐跃杭  
【摘要】:随着现代化电子设备对半导体器件高性能、低成本、小型化等要求的进一步提高,基于宽禁带半导体材料碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)以及零禁带半导体材料石墨烯(Graphene)的新型高频器件成为国内外研究的热点。与现有的硅(Si)、砷化镓(GaAs)等器件相比,新型器件不仅具有更优越的性能,而且在器件结构和工作机理上也存在较大差距,因此其特性难以用现有模型准确表征,导致无法满足器件制备和电路设计的要求。为了加速新型器件在现代化电子设备中的应用,急需对新型高频场效应器件进行特性分析与建模技术研究。本文主要针对SiC、GaN和Graphene高频场效应器件中部分关键特性进行了分析,并研究了相应的建模技术。 1. 4H-SiC MESFET大信号非线性建模。针对4H-SiC MESFET由于自热和陷阱效应导致大信号模型准确性不足、实用性不够等问题,本文采用小信号模型外推非线性模型技术,通过改进传统直流电压—电流模型和非线性电容等模型,建立了包含自热和陷阱效应的大信号非线性等效电路模型,并将其成功嵌入到商用微波仿真软件安捷伦Advanced Design System (ADS)中,基于国内工艺线的验证结果表明本文建立的模型具有较高准确性。其中本文基于微波功率4H-SiC MESFET工作机理改进了传统小信号等效电路拓扑,并提出了一种高效的模型参数提取方法,利用该拓扑和参数提取方法建立的模型具有精度高、适用频带宽(0 ~ 20 GHz)等优点。此外,针对人工神经网络等非线性数值建模方法中存在过拟合、需大量训练样本、耗时久等问题,本文提出并验证了基于支持向量回归机的非线性建模方法,利用该方法不仅解决了上述问题,而且建立的模型具有更明确的物理意义。 2. GaN HEMT器件高频噪声特性与建模。针对GaN HEMT低噪声高频器件虽然应用潜力大,但又缺乏准确噪声模型指导器件设计的现状,本文利用噪声参量模型、最小噪声系数经验模型和数值物理模型分别对GaN HEMT高频噪声建模技术、噪声机理和Al组分对噪声特性的影响进行了研究,得到了基于支持向量机的噪声参量模型、准确的最小噪声系数表达式和Al组分与高频噪声特性的关系等成果和结论,并针对GaN HEMT中强极化效应,研究了双异质结GaN HEMT器件高频噪声特性,结果表明双异质结GaN HEMT相对于单异质结GaN HEMT具有更优越的高频噪声性能。其中本文从Boltzmann传输方程出发,提出了源极寄生阻抗模型,并分析了其对最小噪声系数的影响,结果表明源极寄生阻抗的色散是最小噪声系数和频率存在非线性色散关系的根本原因。 3. Graphene谐振沟道晶体管(RCT)研究。针对全背栅晶体管结构的Graphene机械谐振器由于寄生参数较大导致高频机械信号读取困难的缺点,本文利用Graphene FET和机械谐振器特性,提出了基于本地背栅RCT结构的高频机械信号直接读取方法,并研究了其工作原理、器件制备技术和低温测试方法,实验结果表明与全背栅结构及其读取方法相比,本文提出的方法不仅可以同时获得谐振器的幅度和相位信息,而且在读取时间上缩短了两个数量级。此外,本文还提出了一种基于机械剥离技术的Graphene RCT制备方法,利用该方法得到的器件没有接触任何化学药品,可研究Graphene NEMS的本征特性。


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