4. GaN HEMT 基本结构:几何参数与物理意义

GaN HEMT 的器件模型卡(通常为 .lib 或 .scs 文件)中,几何参数是定义器件物理尺寸的核心输入。这些参数直接影响沟道电流、阈值电压、击穿电压以及寄生电容。本章将系统梳理 GaN HEMT 从衬底到源漏电极的每一层几何结构,并给出 TCAD 仿真中对应的参数化定义。

💡 学习目标: 掌握 GaN HEMT 六层基本结构的几何参数命名规则、典型取值范围及其在模型卡中的书写格式,为后续 I-V 特性仿真建立几何模型基础。

4.1 六层结构总览与参数化定义

一个典型的耗尽型(D-mode)GaN HEMT 在垂直方向由下至上包含:衬底(Substrate)→ 缓冲层(Buffer)→ 沟道层(Channel)→ 势垒层(Barrier)→ 栅极(Gate)→ 源/漏欧姆接触(Source/Drain Ohmic)。水平方向则定义栅长、栅源间距、栅漏间距等关键尺寸。

下表列出各层在 TCAD 仿真中的标准几何参数及其物理作用:

结构层 几何参数 典型值范围 物理作用
衬底 厚度 (T_sub) 100 – 500 μm 机械支撑、散热路径
缓冲层 厚度 (T_buf) 1 – 5 μm 应力管理、位错过滤、垂直耐压
沟道层 (GaN) 厚度 (T_chan) 100 – 300 nm 二维电子气(2DEG)形成区域
势垒层 (AlGaN) 厚度 (T_bar) 15 – 30 nm 极化诱导 2DEG、调制掺杂
栅极 (Schottky) 栅长 (L_g)、栅宽 (W_g) 0.1 – 2 μm / 50 – 500 μm 肖特基势垒控制沟道耗尽
源/漏欧姆接触 接触长度 (L_s, L_d) 0.5 – 2 μm 低阻欧姆连接、载流子注入/抽取
📐 模型卡映射: 在 TCAD 模型卡中,上述参数通常以 region 和 electrode 语句定义。例如 region GaN_chan thickness=0.2 表示沟道层厚度 0.2 μm。

4.2 衬底与缓冲层:几何与材料协同

衬底厚度主要影响热阻和晶圆翘曲,而缓冲层厚度则与垂直击穿电压强相关。在 TCAD 仿真中,衬底通常简化为热边界条件,缓冲层则需精确建模其厚度和掺杂分布。

衬底与缓冲层几何结构示意 衬底 (Substrate) T_sub = 200 μm 缓冲层 (Buffer) T_buf = 3 μm 过渡层 (Transition) 垂直方向 缓冲层越厚,垂直耐压越高,但热阻增大

4.3 势垒层与沟道层:2DEG 形成的几何关键

势垒层厚度(T_bar)是调控 2DEG 浓度的最敏感几何参数。AlGaN 势垒层越厚,极化电荷越多,2DEG 面密度越高,但过厚会导致晶格弛豫和裂纹。沟道层厚度(T_chan)则需保证 2DEG 波函数完全被限制在沟道内。

  • 势垒层厚度 (T_bar): 15–30 nm,每增加 1 nm,2DEG 浓度约增加 1×1012 cm−2(Al 组分 25% 时)。
  • 沟道层厚度 (T_chan): 100–300 nm,过薄会导致 2DEG 穿透缓冲层,过厚则增加陷阱效应。
  • Al 组分 (x): 通常 0.20–0.30,与 T_bar 共同决定极化电荷量。
势垒层与沟道层 2DEG 形成示意 AlGaN 势垒层 T_bar = 20 nm GaN 沟道层 T_chan = 200 nm 2DEG 极化方向 T_bar 与 Al 组分共同决定 2DEG 面密度 典型值:n_s = 1.0×10¹³ cm⁻²

4.4 栅极与源漏欧姆接触:水平几何参数

水平方向的几何参数决定了器件的寄生电阻、电容以及高频性能。在模型卡中,这些参数通常以 electrode 语句的 x 坐标和 length 属性定义。

参数名称 符号 典型值 (μm) 对器件性能的影响
栅长 L_g 0.1 – 2.0 决定沟道调制长度、f_T / f_max
栅源间距 L_gs 0.5 – 2.0 影响源极寄生电阻 R_s
栅漏间距 L_gd 1.0 – 5.0 影响击穿电压和漏极寄生电阻 R_d
源极接触长度 L_s 0.5 – 2.0 欧姆接触电阻 R_c 的几何因子
漏极接触长度 L_d 0.5 – 2.0 欧姆接触电阻 R_c 的几何因子
栅宽 W_g 50 – 500 决定总电流能力(I_ds ∝ W_g)
⚠️ 常见陷阱: 在模型卡中,L_gs 和 L_gd 的定义必须明确是从栅极边缘到接触边缘,还是到接触中心。TCAD 仿真中建议统一使用“边缘到边缘”定义,避免寄生电阻计算偏差。

4.5 完整器件结构 SVG 总图

以下 SVG 综合展示了一个 GaN HEMT 的完整几何结构,包含垂直分层和水平电极布局:

GaN HEMT 完整几何结构(截面图) 衬底 (Substrate) 200 μm 缓冲层 (Buffer) 3 μm GaN 沟道层 200 nm AlGaN 势垒层 20 nm 2DEG S G D L_gs = 1.0 μm L_gd = 3.0 μm L_g = 0.6 μm 模型卡中所有几何参数均以 μm 为单位,垂直方向厚度需注意单位换算(1 μm = 1000 nm)

4.6 模型卡中的几何参数书写示例

以下是一个典型的 TCAD 模型卡(Sentaurus SDE 语法)中几何参数的定义片段:

; ============================================
; GaN HEMT 几何参数定义 (单位: μm)
; ============================================
define T_sub  200.0   ; 衬底厚度
define T_buf   3.0    ; 缓冲层厚度
define T_chan  0.2    ; 沟道层厚度 (200 nm)
define T_bar   0.020  ; 势垒层厚度 (20 nm)

define L_g    0.6    ; 栅长
define L_gs   1.0    ; 栅源间距
define L_gd   3.0    ; 栅漏间距
define L_s    0.5    ; 源极接触长度
define L_d    0.5    ; 漏极接触长度
define W_g   100.0   ; 栅宽

; 区域定义
region "substrate"  thickness=T_sub  material=Silicon
region "buffer"     thickness=T_buf  material=GaN
region "channel"    thickness=T_chan material=GaN
region "barrier"    thickness=T_bar  material=AlGaN

; 电极定义
electrode "source"  x=0 length=L_s
electrode "gate"    x={L_gs} length=L_g
electrode "drain"   x={L_gs+L_g+L_gd} length=L_d
🔧 工程建议: 在编写模型卡时,建议将所有几何参数集中定义在文件头部,并使用有意义的变量名。这样在后续进行参数扫描(如 L_gd 对击穿电压的影响)时,只需修改一处即可全局更新。

4.7 几何参数对 I-V 特性的影响总结

下表汇总了关键几何参数变化对直流 I-V 特性的主要影响趋势,供仿真调试时参考:

几何参数 变化方向 对 I_ds 的影响 对 V_th 的影响 对击穿电压的影响
T_bar (势垒层厚度) ↑ 增加 ↑ 增大(2DEG 浓度增加) ↓ 负向偏移 — 无显著影响
L_g (栅长) ↑ 增加 ↓ 减小(沟道电阻增大) — 基本不变 ↑ 略有提升
L_gd (栅漏间距) ↑ 增加 ↓ 减小(寄生电阻增大) — 基本不变 ↑ 显著提升
T_buf (缓冲层厚度) ↑ 增加 — 无直接影响 — 无直接影响 ↑ 提升(垂直耐压)
W_g (栅宽) ↑ 增加 ↑ 线性增大 — 基本不变 — 无直接影响

掌握上述几何参数与电学特性的对应关系,是后续进行 I-V 特性仿真和模型卡参数校准的基础。在下一节中,我们将基于本章定义的几何结构,开始构建完整的 TCAD 仿真网格。