發(fā)布時間：2020-06-04 16:00

【摘要】：InP基高電子遷移率晶體管(HEMT)具有優(yōu)異的電子遷移率、噪聲、增益和功率特性,成為最具競爭力的高頻半導(dǎo)體器件之一,廣泛應(yīng)用于國防航天、空間探測以及衛(wèi)星遙感等軍民空間領(lǐng)域之中。器件模型是連接制備工藝到實際應(yīng)用的橋梁,要求完成對電路性能的準(zhǔn)確預(yù)測和可實施性評估。針對InP基HEMT輻照環(huán)境應(yīng)用,精確的器件輻照模型可正確預(yù)估輻照對集成電路芯片造成的偏差,并指導(dǎo)抗輻照冗余設(shè)計。本論文建立了InP基HEMT器件常規(guī)工作狀態(tài)非線性等效電路模型并針對電子輻照建立了輻照直流模型。具體研究成果如下:1.InP基HEMT器件非線性等效模型建立。器件溝道電子濃度隨著柵偏壓增加而增加,最終因為固定的摻雜濃度達到飽和。本文采用雙曲正切函數(shù)描述器件膝點電壓隨著柵電壓的變化趨勢。器件柵電容隨著柵偏壓先增加到峰值,而后會因為飽和溝道電流而逐漸減小。本文采用分段函數(shù)描述柵電容隨著偏壓的變化關(guān)系,引入三次多項式描述柵電容隨著偏壓下降的趨勢。通過變量膝點電壓的引入,模型直流特性擬合誤差(e_(DC))減小1.02%;分段電容特性使得交流特性擬合誤差在不同柵偏壓下都有明顯減小。改進的模型更加適合于InP基HEMT器件。2.InP基HEMT器件非線性輻照直流模型建立。通過研究不同劑量電子輻照對器件肖特基特性、轉(zhuǎn)移特性和輸出電流的影響,建立相應(yīng)輻照模型。肖特基柵反向飽和電流及理想因子隨著輻照因子的增加呈現(xiàn)指數(shù)增加的趨勢;轉(zhuǎn)移特性隨著輻照劑量負(fù)向移動,且隨著輻照劑量增加呈減小趨勢;隨著輻照劑量增加,輸出電流特性中kink效應(yīng)減弱。在InP基HEMT器件非線性半經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭?引入各參數(shù)與輻照因子變化的指數(shù)關(guān)系,建立了器件肖特基和轉(zhuǎn)移特性模型;同時在模型中引入不同輻照劑量下Kink效應(yīng)的斜率M建立了輸出電流輻照模型,模型仿真與實測數(shù)據(jù)擬合良好。InP基HEMT器件大信號模型的建立有助于推進其毫米波集成電路的研制,其輻照模型更將促進器件及相關(guān)集成電路空間領(lǐng)域應(yīng)用。
【圖文】：

圖 1.1 集成電路設(shè)計流程由于航空航天技術(shù)的快速發(fā)展，InP 基 HEMT 器件和相關(guān)集成電路已經(jīng)開始在空間環(huán)境中廣泛應(yīng)用。然而空間環(huán)境中存在由有大量的電磁輻射和帶電粒子，器件不可避免受到輻射影響，極大程度地降低了電子系統(tǒng)在空間運行中的可靠性。據(jù)統(tǒng)計，美國在 1973-1986 年發(fā)射的衛(wèi)星中出現(xiàn) 1589 次故障，其中有70%與空間帶電粒子有關(guān)，38.1%的損壞是由于輻射粒子對材料電子系統(tǒng)造成的[7, 8]。因此可知，器件輻照的研究對其在空間環(huán)境中的應(yīng)用至關(guān)重要。為了相關(guān)集成電路在輻照空間中可以持續(xù)穩(wěn)定的工作，我們必須研究清楚輻照對器件特性的影響，準(zhǔn)確的預(yù)估器件的工作狀態(tài)。在輻照工作環(huán)境下，InP 基 HEMT 器件的柵極泄漏電流、溝道二維電子氣濃度等性能參數(shù)都將發(fā)生不同趨勢或者不同程度的改變。目前，對器件輻照的研究主要集中在抗輻照材料研究，然而無論采取任何材料都不能完全抵消輻照效應(yīng)的影響。器件性能的研究最終需要落實于相關(guān)集成電路設(shè)計，然而國內(nèi)外至今并沒有相關(guān)輻照電路的報道。因此研究器件輻照模型也是對器件輻照研究

InP 基 HEMT 器件工作原理中。另一方面，溝道層和隔離層接觸時，由于溝道的禁帶寬度窄，在界面成勢阱，儲存大量二維電子氣形成導(dǎo)電溝道。隔離層使用未摻雜的 InAlAs ，其作用是減少勢壘層電離雜質(zhì)對溝道二維電子氣產(chǎn)生庫倫散射效應(yīng)。隨離層的厚度增大，散射效應(yīng)對溝道二維電子氣的影響減小。δ摻雜層采用摻雜，既可以增強柵極調(diào)控，又可以提高器件的擊穿電壓。肖特基勢壘層金屬形成肖特基接觸，，實現(xiàn)對溝道電流的調(diào)控。增加其厚度和禁帶寬度可加溝道電子濃度。然而由于寬禁帶材料與溝道材料存在晶格失配，會增加中心，造成電子遷移率降低，因此勢壘層通常與溝道材料保持晶格匹配。使用高摻雜濃度窄禁帶寬度 InGaAs 半導(dǎo)體材料，目的是為了降低漏源歐姆電阻。
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN386

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本文編號：2696625