常关型p-GaN栅AlGaN/GaN HEMT作为片上电容器的建模与分析

来源：Modeling and Analysis of Normally-OFF p-GaN Gate AlGaN/GaN HEMT as an ON-Chip Capacitor（TED 20年）

摘要

提出了一种精确基于物理的解析模型，用于描述p-GaN栅AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）的栅电容。该模型在形成泊松方程时考虑了p-GaN帽层中受主的不完全离子化以及Mg受主向AlGaN势垒层的外扩散，该方程与AlGaN/GaN量子阱中的电荷方程一起求解。该模型在宽偏置范围内得到了验证，与实验结果显示出良好的一致性。还使用该模型分析了单个设备参数对电容-电压（C-V）特性的影响。此外还提出了一个简化等效电路模型，以直观解释这些通常关断型器件的C-V特性。

关键词：二维电子气（2DEG）密度、电容、等效电路模型、GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）、建模、通常关断、p-GaN栅。

文章的研究内容

文章研究的内容是针对采用p-GaN栅极的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)作为片上电容器的建模与分析。具体而言，研究者提出了一种精确的基于物理的解析模型来描述这类器件的栅极电容特性，该模型充分考虑了实际应用中涉及的多个关键因素：

栅极结构复杂性：p-GaN栅极AlGaN/GaN HEMT的栅极电容计算需解决Poisson方程，并考虑电压在p-GaN/AlGaN/GaN异质结构中的分配，以及深能级Mg受主离子的不完全电离和从顶层p-GaN帽层向AlGaN势垒层的Mg掺杂剂外扩散。
电荷分布与电容预测：模型通过解析求解Poisson方程和AlGaN/GaN量子阱中的电荷方程，准确预测2维电子气(2DEG)的电荷密度和栅极电容。这包括在不同栅极偏压下，考虑Mg受主在p-GaN帽层中的不完全电离和Mg向AlGaN层的外扩散对2DEG密度和栅极电容的影响。
模型验证与参数影响：所提出的栅极电容模型在宽范围的栅极偏压下进行了实验验证，与实验结果展现出良好的一致性。此外，模型还被用来详细分析了器件个体参数（如p-GaN帽层的掺杂浓度、AlGaN势垒层的Al摩尔分数和厚度，以及选择的栅极金属）对栅极电容-电压(C-V)特性的影响。
简化等效电路模型：除了精准的电容模型外，文章还提出了一个基于两个串联电容的简单模型，以直观解释并快速估算这些常关型器件的C-V特性，为设计人员提供直观理解与快速评估手段。

本文的研究内容主要围绕构建并验证一种适用于所有偏压范围、考虑实际器件特性的p-GaN栅极AlGaN/GaN HEMT的物理基础解析模型，该模型能够准确预测器件的2DEG电荷密度和栅极电容，并深入探讨了各器件参数对C-V特性的影响。同时，文章还提出了一个简化的等效电路模型，以便于直观理解和快速估算这些常关型器件的电容特性。这些模型不仅有助于优化器件结构，也为这些增强模式器件作为晶体管使用时的完整紧凑模型奠定了基础，特别是在作为高性能片上电容器应用于GaN基功率集成电路时。

文章的研究方法

文章采用以下研究方法：

基于物理的解析建模：
- 理论公式推导：通过对Poisson方程进行形式化处理，考虑p-GaN帽层中受主离子的不完全电离和Mg掺杂剂向AlGaN势垒层的外扩散效应。Poisson方程与AlGaN/GaN量子阱中的电荷方程一起求解，以精确描述器件内部的电荷分布和电场特性。
- 电压分配分析：将施加的栅极电压分解为跨越AlGaN势垒、栅极金属与p-GaN之间的肖特基结以及AlGaN/GaN界面能带间隙的电压分量，建立栅极电压VG与2DEG密度ns之间的关系。这种分析涉及各个界面/层上的电压降，并通过解析关系将VG与2DEG特性关联起来。
仿真与实验数据验证：
- 使用TCAD工具：仅限于获取如图1所示的能带图以及后续讨论中涉及的Mg离子化浓度分布图。这些仿真结果为解析模型提供了必要的物理背景信息和验证参考。
- 实验数据对比：提出的栅极电容模型在广泛的栅极偏压范围内与实验数据进行了比较，显示出两者之间良好的一致性，验证了模型的有效性和准确性。
参数敏感性分析：
- 个体参数影响：利用所建立的模型，详细探究了不同器件参数（如p-GaN帽层的掺杂浓度、AlGaN势垒层的Al摩尔分数和厚度，以及选择的栅极金属）对栅极电容-电压(C-V)特性的影响，揭示了参数变化如何导致C-V曲线形状、峰值位置及斜率的变化。
- 简化等效电路模型应用：提出了一个基于两个串联电容的简化等效电路模型，用于直观解释并快速估算这些常关型器件的C-V特性。通过该模型，可以解释诸如栅极金属厚度变化对总电容的影响、AlGaN摩尔分数改变对阈值电压和C-V曲线位移的作用，以及在特定条件下p-GaN帽层厚度对C-V特性无显著影响的现象。

总之，研究方法包括运用物理原理推导解析模型、借助TCAD工具进行辅助仿真、对比实验数据验证模型有效性，以及运用简化等效电路模型进行直观解释和参数敏感性分析。这些方法共同构成了对p-GaN栅极AlGaN/GaN HEMT作为片上电容器的全面建模与分析过程。

文章的创新点

文章的创新点体现在以下几个方面：

新型物理模型的开发：针对p-GaN栅极AlGaN/GaN HEMT，文章首次提出了一种考虑所有实际场景要素（如p-GaN帽层中Mg受主的不完全电离和Mg向AlGaN层的外扩散）的基于物理的解析模型，用于精确计算2DEG电荷密度和栅极电容。这一模型填补了现有文献中缺乏适用于所有偏压范围且考虑上述实际效应的物理分析模型的空白。
全面的电容特性描述：模型不仅适用于所有偏压范围，而且能够准确预测不同栅极偏压下的栅极电容，其表现与实验结果高度一致，这对于理解和优化此类器件的电容行为至关重要。模型的广泛适用性超越了之前仅适用于饱和区电容的实证模型，提升了对器件电容特性的预测能力。
参数效应深度剖析：通过所提出的模型，文章详细分析了各个个体器件参数（如p-GaN帽层掺杂浓度、AlGaN势垒层的Al摩尔分数和厚度、以及栅极金属选择）对栅极电容-电压(C-V)特性的影响，为器件结构优化提供了定量指导。这种深入的参数敏感性分析有助于工程师在设计阶段精确控制和调整器件性能。
简化等效电路模型的提出：为了直观解释并快速估算常关型器件的C-V特性，文章还创新性地提出了一个基于两个串联电容的简化等效电路模型。这一模型简化了复杂物理过程，为工程实践提供了易于理解和快速估算电容特性的实用工具，增强了设计人员对器件工作原理的直觉理解。

文章的创新点在于构建了一个全面、精确且具有广泛应用价值的物理模型，用于分析p-GaN栅极AlGaN/GaN HEMT作为片上电容器时的电容特性，同时结合参数敏感性分析和简化等效电路模型，为器件设计和优化提供了有力的理论支持和实用工具。

文章的结论

文章的结论如下：

模型的有效性验证：提出的基于物理的解析模型成功模拟了p-GaN栅极AlGaN/GaN HEMT的2DEG电荷密度和栅极电容，其在宽范围的栅极偏压下与实验结果展现了良好的一致性。这意味着该模型准确捕捉到了这类常关型器件作为片上电容器时的行为特征。
参数影响的详细分析：利用所建模型，文章对不同器件参数对C-V特性的影响进行了细致入微的分析，揭示了各个参数如何改变C-V曲线的形状、峰值位置和斜率，为器件结构的优化提供了具体的指导。
简化等效电路模型的提出与应用：文章还提出了一种简化等效电路模型，该模型能够直观解释并轻松估算这些常关型器件的C-V特性，有助于设计人员快速理解与估算这类器件的电容行为，无需深入复杂的物理细节。

文章的主要结论是：所提出的基于物理的解析模型对于p-GaN栅极AlGaN/GaN HEMT的电容特性建模具有高度准确性，并且有效揭示了各器件参数对C-V特性的影响；同时，提出的简化等效电路模型为快速理解与估算这类器件的电容特性提供了直观易用的工具。这些成果不仅加深了对p-GaN栅极AlGaN/GaN HEMT电容行为的理解，而且为器件结构优化和电路设计提供了实用的理论支持。