2. TCAD 仿真基础：工具、流程与核心概念
在开始编写 GaN 器件模型卡之前，必须建立对 TCAD 仿真工具的清晰认知。本章将系统介绍主流 TCAD 工具（Silvaco 与 Sentaurus）的架构差异、标准仿真流程，以及网格与物理模型这两个决定仿真精度的核心概念。
2.1 主流 TCAD 工具简介
TCAD（Technology Computer-Aided Design）是半导体器件设计与工艺开发的“虚拟实验室”。目前工业界与学术界最广泛使用的两款工具为 Silvaco TCAD 与 Synopsys Sentaurus。两者在架构、求解器与脚本语言上存在显著差异。
| 对比维度 | Silvaco TCAD | Synopsys Sentaurus |
|---|---|---|
| 脚本语言 | DeckBuild（基于 C 风格语法） | Tool Command Language（Tcl） |
| 核心求解器 | ATLAS（器件仿真） ATHENA（工艺仿真） |
SDevice（器件仿真） SProcess（工艺仿真） |
| 网格引擎 | 自动网格 + 手动 refine 语句 | Mesh 编辑器 + 自适应网格 |
| 物理模型库 | 内置模型库，通过 MODELS 语句调用 | Physics 区块，支持模型组合与自定义 |
| 可视化工具 | TonyPlot | Sentaurus Visual（SVisual） |
| 典型应用场景 | GaN HEMT、SiC MOSFET、功率二极管 | FinFET、GAA、先进 CMOS 与功率器件 |
选型建议： 对于 GaN 功率器件的 I-V 特性仿真，Silvaco ATLAS 因其简洁的脚本语法和丰富的 GaN 专用模型（如极化模型、陷阱模型）而成为入门首选。本课程案例均基于 Silvaco ATLAS 构建。
2.2 标准仿真流程
无论是 Silvaco 还是 Sentaurus，TCAD 仿真都遵循一个通用的五阶段流程。理解这个流程是编写模型卡的基础。
- 结构定义： 定义器件的几何尺寸、材料层（如 GaN 缓冲层、AlGaN 势垒层）、掺杂分布与电极位置。
- 网格生成： 在器件结构上划分计算节点。网格密度直接影响仿真精度与收敛性。
- 物理模型选择： 指定载流子传输模型（漂移-扩散或流体动力学模型）、复合模型（SRH、Auger）、极化模型与陷阱模型。
- 数值求解： 设置偏置条件（如栅压 VGS 从 -5V 扫描到 +5V），调用 Newton 或 Gummel 迭代求解器。
- 结果提取与可视化： 提取 I-V 曲线、电场分布、载流子浓度分布等，使用 TonyPlot 进行后处理。
2.3 网格：精度与效率的平衡
网格（Mesh）是将连续器件结构离散化为有限个计算节点的过程。网格质量直接决定仿真能否收敛以及结果的准确性。
- 粗网格： 计算速度快，但无法解析沟道中的强电场与载流子梯度，导致 I-V 曲线失真。
- 细网格： 精度高，但节点数过多会大幅增加内存占用与求解时间，甚至导致不收敛。
- 局部加密： 在关键区域（如 AlGaN/GaN 异质结界面、栅极边缘）使用细网格，在衬底等非关键区域使用粗网格，是工程实践中的标准做法。
GaN HEMT 网格加密原则：
• 异质结界面：垂直方向网格间距 ≤ 1 nm，至少 3 层节点。
• 栅极下方沟道：水平方向网格间距 ≤ 10 nm。
• 源/漏接触区：适当加密以解析欧姆接触效应。
• 缓冲层与衬底：使用渐变网格，从界面处向内部逐渐变粗。
• 异质结界面：垂直方向网格间距 ≤ 1 nm，至少 3 层节点。
• 栅极下方沟道：水平方向网格间距 ≤ 10 nm。
• 源/漏接触区：适当加密以解析欧姆接触效应。
• 缓冲层与衬底：使用渐变网格，从界面处向内部逐渐变粗。
2.4 物理模型：仿真的灵魂
物理模型是描述载流子在半导体中行为的数学方程。对于 GaN 器件，以下模型是必不可少的：
| 模型类别 | 典型模型 | 在 GaN 中的作用 |
|---|---|---|
| 传输模型 | 漂移-扩散 (DD) 流体动力学 (HD) |
DD 适用于低场；HD 可捕捉 GaN 中的速度过冲与自热效应 |
| 复合模型 | Shockley-Read-Hall (SRH) Auger |
SRH 描述陷阱辅助复合；Auger 在高注入下显著 |
| 极化模型 | 自发极化 + 压电极化 | 在 AlGaN/GaN 异质结界面诱导高密度二维电子气 (2DEG) |
| 陷阱模型 | 施主/受主陷阱 界面陷阱 |
模拟电流崩塌、阈值电压漂移等可靠性问题 |
| 迁移率模型 | 平行电场依赖 温度依赖 |
GaN 沟道迁移率受极化散射与声子散射影响 |
常见误区： 初学者常忽略陷阱模型与自热效应。对于 GaN 功率器件，若未开启陷阱模型，仿真得到的 I-V 曲线会严重偏离实测结果（尤其是关态漏电与动态导通电阻）。务必在模型卡中显式声明陷阱参数。
2.5 模型卡与仿真脚本的衔接
模型卡（Model Card）本质上是将上述网格参数、物理模型与材料参数封装为一个可复用的脚本片段。在 Silvaco ATLAS 中，一个典型的模型卡调用示例如下：
# 模型卡示例：GaN HEMT 物理模型定义
MODELS srh auger fermi print
hcte.el hcte.ho # 流体动力学传输模型
polar.scale=1.0 # 极化模型，缩放因子 1.0
# 陷阱模型定义
TRAP e.level=0.6 density=1e17 donor
x.min=0.0 x.max=1.0 y.min=0.1 y.max=0.5
# 迁移率模型
MOBILITY gaas.n vt=1e7 vsat=1.5e7
taun=1e-9 taup=1e-9
# 接触定义
CONTACT NAME=gate workfunction=5.2
CONTACT NAME=source ohmic
CONTACT NAME=drain ohmic