📚 课程目录第4章 GaN HEMT基本结构

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。

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。

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：

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。