1. GaN 器件基础：结构与工作原理
1.1 GaN HEMT 器件结构
GaN HEMT（高电子迁移率晶体管）的核心结构基于异质结界面。与传统的硅 MOSFET 不同，GaN HEMT 利用 AlGaN/GaN 异质结在界面处自然形成的 二维电子气（2DEG） 作为导电沟道，无需刻意掺杂即可获得极高的电子迁移率和面密度。
关键结构层（自上而下）：
- 源极/漏极欧姆接触：Ti/Al/Ni/Au 多层金属，经高温退火形成低阻欧姆接触。
- 栅极肖特基接触：Ni/Au 或 Pt/Au，形成肖特基势垒控制沟道。
- AlGaN 势垒层：厚度 15–30 nm，Al 组分 20%–30%，提供极化效应。
- GaN 沟道层：非故意掺杂 GaN，厚度 1–3 μm。
- 成核层/过渡层：AlN 或 AlGaN 缓冲层，缓解晶格失配。
- 衬底：SiC（高导热）、Si（低成本）、蓝宝石（绝缘）。
1.2 二维电子气（2DEG）特性
2DEG 是 GaN HEMT 性能的核心。由于 AlGaN 与 GaN 之间存在 自发极化 和 压电极化 的差异，在异质结界面 GaN 一侧会积累极高浓度的电子（典型值 1×10¹³ cm⁻²），且电子被限制在约 2 nm 厚的量子阱中，形成二维输运特性。
| 参数 | 典型值 | 对器件性能的影响 |
|---|---|---|
| 2DEG 面密度 (nₛ) | 0.8 – 2.0 × 10¹³ cm⁻² | 决定导通电阻 Rₒₙ 和电流能力 |
| 电子迁移率 (μₙ) | 1500 – 2200 cm²/V·s | 影响沟道电阻和开关速度 |
| 量子阱宽度 | ≈ 2 nm | 限制电子在二维平面运动，降低散射 |
| 极化电荷密度 | ≈ 1.5 × 10¹³ cm⁻² | 无需掺杂即可形成沟道，降低杂质散射 |
仿真建模要点： 在 TCAD 仿真中，2DEG 的准确建模需要正确设置 AlGaN 层的 Al 组分、厚度以及极化模型参数。默认的极化电荷计算通常基于
Pₛₚ（自发极化）和 Pₚₑ（压电极化）的矢量叠加，公式为：σ = Pₛₚ(AlGaN) + Pₚₑ(AlGaN) − Pₛₚ(GaN)
1.3 阈值电压（Vₜₕ）
GaN HEMT 的阈值电压定义为沟道开始导通时的栅极电压。对于耗尽型（D-mode）器件，Vₜₕ 通常为负值（−3 V 至 −1 V）；增强型（E-mode）器件则要求 Vₜₕ > 0 V，通常通过 p-GaN 栅极或凹槽栅结构实现。
影响 Vₜₕ 的关键因素：
- AlGaN 势垒层厚度：厚度增加 → 2DEG 浓度升高 → Vₜₕ 负向偏移。
- Al 组分：Al 组分增加 → 极化电荷增加 → Vₜₕ 负向偏移。
- 栅极金属功函数：高功函数金属（如 Pt）使 Vₜₕ 正向偏移。
- p-GaN 层厚度与掺杂：p-GaN 栅结构通过耗尽 2DEG 实现常关。
工艺角仿真注意： 在工艺角（Process Corner）仿真中，AlGaN 厚度 ±10% 的变化可能导致 Vₜₕ 偏移 0.3–0.5 V。必须将 AlGaN 厚度、Al 组分、栅金属功函数作为统计变量纳入蒙特卡洛分析。
1.4 击穿电压（BV）
击穿电压是 GaN HEMT 在关断状态下源漏之间能够承受的最大电压。GaN 材料具有高临界击穿电场（约 3.3 MV/cm），远高于 Si（0.3 MV/cm）和 SiC（2.5 MV/cm），因此 GaN 器件理论上可以实现更高的击穿电压与更小的导通电阻。
| 材料 | 禁带宽度 (eV) | 临界电场 (MV/cm) | 电子迁移率 (cm²/V·s) | Baliga 优值 (归一化) |
|---|---|---|---|---|
| Si | 1.12 | 0.3 | 1350 | 1 |
| SiC (4H) | 3.26 | 2.5 | 900 | ~340 |
| GaN | 3.44 | 3.3 | 2000 | ~870 |
影响击穿电压的结构因素：
- 栅-漏间距 (LGD)：增大 LGD 可显著提高 BV，但会增加导通电阻。
- 场板结构：栅场板或源场板可缓解栅边缘电场集中，提高 BV 10%–30%。
- 缓冲层陷阱：碳掺杂缓冲层可抑制垂直漏电，但引入深能级陷阱可能导致电流崩塌。
- 衬底材料：SiC 衬底导热性好，有利于高电压大功率应用。
1.5 器件特性总结与仿真关注点
| 特性参数 | 典型范围 | 工艺角敏感因素 | 仿真模型关注点 |
|---|---|---|---|
| 阈值电压 Vₜₕ | −3 V ~ +2 V | AlGaN 厚度、Al 组分、栅金属功函数 | 极化模型、肖特基势垒模型 |
| 导通电阻 Rₒₙ | 50 mΩ ~ 500 mΩ | 2DEG 迁移率、接触电阻、温度 | 迁移率模型、自热效应 |
| 击穿电压 BV | 200 V ~ 1200 V | 缓冲层陷阱、场板结构、LGD | 碰撞电离模型、陷阱模型 |
| 最大电流 Imax | 5 A ~ 50 A | 2DEG 浓度、栅宽、温度 | 速度饱和模型、自热模型 |
本章小结： GaN HEMT 的核心优势来源于 AlGaN/GaN 异质结的极化效应产生的 2DEG。理解器件结构、2DEG 特性、阈值电压调控机制以及击穿电压的物理限制，是后续进行工艺角仿真与建模调试的基础。在下一章中，我们将深入讨论 GaN 器件的工艺角定义与统计建模方法。