用于 GaN-HEMT 功率器件仿真的 TCAD 方法论

标题：TCAD Methodology for Simulation of GaN-HEMT Power Devices

来源：Proceedings of the 26th International Symposium on Power Semiconductor Devices & IC’s(14年 ISPSD)

GaN-HEMT仿真面临的挑战

  与过去主要集中在硅和锗上的标准 TCAD 方法论相比，GaN-HEMT 技术为准确的 TCAD 仿真增加了额外的复杂性。这是由于以下原因：

• 与硅相比，由于六方晶格系统而具有较低的晶体对称性
• 极化效应，这是器件性能的主要贡献者
• 宽带隙，因此本征载流子浓度低得多
• 高场下的谷间交换，通过 Gunn 效应调制电流
• 半导体材料（异质界面）和部分漂浮区域之间的突变界面
• 陷阱及其特性的重要性增加

  以下是一些解释：

• 晶体对称性：晶体对称性是指晶体的原子排列方式的重复性。GaN 具有六方晶格系统，而硅具有立方晶格系统。这意味着 GaN 晶体具有较低的晶体对称性，这使得 TCAD 仿真更加困难。
• 极化效应：极化效应是指由于晶体结构中的不平衡电荷分布而产生的电场。在 GaN-HEMT 中，极化效应会影响电子在器件中的传输，因此需要在 TCAD 仿真中加以考虑。
• 宽带隙：宽带隙是指半导体材料的导电带和价带之间的能隙。GaN 具有宽带隙，这意味着它比硅具有更低的本征载流子浓度。本征载流子浓度是半导体材料中自由电子和空穴的数量。较低的本征载流子浓度会影响 GaN-HEMT 的性能，因此需要在 TCAD 仿真中加以考虑。
• 谷间交换：谷间交换是指电子在不同的能谷之间转移的现象。在 GaN-HEMT 中，谷间交换会在高场下发生，并会影响电流。因此，需要在 TCAD 仿真中考虑谷间交换。
• 突变界面：突变界面是指两种不同半导体材料之间的界面。在 GaN-HEMT 中，存在许多突变界面，例如 AlGaN/GaN 界面和 GaN/SiN 界面。这些突变界面会影响电子在器件中的传输，因此需要在 TCAD 仿真中加以考虑。
• 陷阱：陷阱是指半导体材料中捕获电子的缺陷。陷阱会影响 GaN-HEMT 的性能，因此需要在 TCAD 仿真中加以考虑。

文章研究了什么

  本文研究了使用技术计算机辅助设计（TCAD）方法对 GaN-HEMT 功率器件进行仿真的方法。 该研究包括工艺仿真、面内和全应力仿真以及漂移扩散器件仿真。该方法基于 imec 的功能完备的逼真 GaN-HEMT，旨在为 GaN 基器件技术建立准确的仿真工具、方法和模型，并与硬件数据进行基准测试。该研究重点关注网格划分、准确性和鲁棒性标准，以及根据各种实测文献数据缩小有效的材料参数。文章强调了与标准的硅和锗 TCAD 方法相比，GaN-HEMT 技术的准确 TCAD 仿真的额外复杂性，这是由于较低的晶体对称性和极化效应等因素造成的。该研究旨在提供对 GaN-HEMT 的性能影响和影响的见解，这些见解很难通过实验测量进行定量确定。

  以下是对文章中一些关键术语的更详细解释：

• 技术计算机辅助设计 (TCAD)：TCAD 是一种用于设计和模拟半导体器件的计算机软件工具。
• 工艺仿真：工艺仿真用于模拟半导体器件的制造过程。
• 面内应力：面内应力是指半导体器件平面内的应力。
• 全应力仿真：全应力仿真用于模拟半导体器件中的所有应力，包括面内应力和垂直应力。
• 漂移扩散器件仿真：漂移扩散器件仿真用于模拟半导体器件中载流子的漂移和扩散。
• imec：imec 是比利时卢万的一家微电子研究中心。
• 功能完备的逼真 GaN-HEMT：功能完备的逼真 GaN-HEMT 是一个能够准确模拟 GaN-HEMT 器件性能的 TCAD 模型。
• 基准：基准是指将 TCAD 仿真结果与硬件测量数据进行比较，以评估 TCAD 模型的准确性。
• 网格划分：网格划分是指将半导体器件的结构划分为小单元格，以进行 TCAD 仿真。
• 鲁棒性：鲁棒性是指 TCAD 模型在各种条件下仍然准确的能力。
• 有效的材料参数：有效的材料参数是指能够准确预测半导体器件性能的材料参数。
• 晶体对称性：晶体对称性是指晶体中原子排列的重复性。
• 极化效应：极化效应是指由于晶体结构中的不平衡电荷分布而产生的电场。
• 性能影响：性能影响是指影响半导体器件性能的因素。

文章的创新点

• 本文介绍了一种使用 TCAD 方法对 GaN-HEMT 进行系统研究的方法，这是一种模拟 GaN 基功率器件的新颖方法。
• 该研究通过提供与硬件数据进行基准测试的准确仿真工具、方法和模型，专注于优化 GaN 基器件技术。
• 文章中开发的方法解决了 GaN-HEMT 技术与标准的硅和锗 TCAD 方法相比，准确 TCAD 仿真的额外复杂性问题。
• 该研究探讨了机械应力、压电极化和陷阱对 GaN-HEMT 性能的影响，这些影响很难通过实验测量进行定量确定。
• 文章强调了由于 GaN 的内在密度比硅低，因此需要进行扩展精度仿真（至少 128 位）以获得正确的结果。

文章的研究方法

• 本文采用技术计算机辅助设计（TCAD）方法模拟 GaN-HEMT 功率器件。
• 该研究包括工艺仿真、面内和全应力仿真以及漂移扩散器件仿真。
• 该方法基于 imec 的功能完备的逼真 GaN-HEMT，用作准确仿真工具、方法和模型的基准。
• 该调查重点关注网格划分、准确性和鲁棒性标准，以及根据各种实测文献数据缩小有效的材料参数。
• 该研究还包括通过实验设计（DOE）校准参数并在 Sentaurus Process 中生成准确器件结构。
• 该研究旨在提供对 GaN-HEMT 的性能影响和影响的见解，这些见解很难通过实验测量进行定量确定。

文章的结论

• 本文提供了使用 TCAD 方法模拟和校准 GaN-HEMT 的实用指南。它强调了针对 GaN 基器件技术的准确仿真工具、方法和模型的重要性，并以硬件数据为基准。
• 研究方法包括工艺仿真、面内和全应力仿真以及漂移扩散器件仿真。它解决了 GaN-HEMT 技术与标准的硅和锗 TCAD 方法相比，准确 TCAD 仿真的额外复杂性。
• 研究强调了机械应力、压电极化和陷阱对 GaN-HEMT 性能的影响，这些影响很难通过实验测量进行定量确定。