已經為基于 GaN 的高電子遷移率晶體管 （HEMT）的增強模式開發了兩種不同的結構。這兩種模式是金屬-絕緣體-半導體 （MIS） 結構，2具有由電壓驅動的低柵極漏電流，以及柵極注入晶體管 （GIT），3具有脊結構和高閾值電壓。兩者也都有一些缺點。MIS 對柵極干擾的可靠性較低，閾值電壓較低，而 GIT 的柵極開關速度較慢，柵極漏電流較高。

圖 1 顯示了用于測試這兩種結構的設置。單一模型可用于 MIS 和 GIT 結構。GIT 用于使用電流模型開發等效電路，而 MIS 用于核心漏極電流建模。4此后，S 參數測量用于評估這些器件中的每一個的電路。

設備結構

圖 1a 顯示了 MIS 晶體管的基本結構以及嵌入式源極場板 （ESFP）。金屬有機化學氣相沉積用于在其上形成氮化硅 （SiN） 鈍化層。使用載流子密度為 1.4 × 1，013 cm 2、遷移率為 1，203 cm 2 V/s、薄層電阻為 382 W/square的二維電子氣 （2DEG）薄片。由位于金屬間電介質 MO 薄膜頂部的500 nm 厚的二氧化硅 （SiO 2 ） 薄膜制成的柵電極延伸到鈍化薄膜上，從而降低了 C gs。ESFP 將柵漏電場分成兩個峰值。這會由于負偏壓而降低電子密度，并在有源偏壓下增加柵極絕緣膜下的密度。

圖 1b 顯示了脊 GIT 晶體管和源極場板 （SFP） 的基本結構。其結構有一個 10 納米的氮化鋁鎵 （AlGaN） 層作為阻擋層和一個 60 納米的 p-GaN 層。在使用 ICP 蝕刻器蝕刻表面后，柵極表面用 100 nm 厚的 SiN 膜保護。漏極和源極也由蝕刻的 SiN 薄膜形成，從而產生歐姆電極。源極電極在柵極上延伸到漏極側以形成 SFP。SFP 將柵極到漏極的電場分成兩個峰值，從而降低了柵極邊緣下方的電場強度。用于這些實驗的測量值是：L mask = 0.8 mm，W mask = 100 mm，源極到柵極距離 = 0.9 mm，柵極到漏極距離 = 3.5 mm，柵極電容（Cox ），可以使用柵極氧化膜厚度 （T ox ） 和 SiO 2的介電常數 （ε ox ） 計算。如圖 2b 所示，很難使用 pn 二極管空穴注入中累積的電子密度準確計算柵極溝道電容 （C ch ）。因此，在任何參數提取過程開始之前測量C ch 。

圖 1：簡化的測試結構

圖2：大門放大圖

漏電流方程

MIS-HEMT 的柵氧化層電容

脊形 HEMT 的柵溝道電容

脊形 GIT HEMT 的肖特基接觸和 pn 結如圖 2b 所示。溝道區由從溝道注入空穴的 2DEG 區的 p 型柵極組成。漏極電流導數包含每面積的柵極溝道電容 （C ch ）。

閾值電壓

電子遷移率

漏源電阻

等效電路

圖 3 顯示我們的模型 MIS 和 ridge HEMT 具有相同的宏電路。主 HEMT 晶體管用作 FET 以減少漏極電場，而子晶體管用作 SFP。圖 4 顯示了 MIS 和脊形 HEMT 類型的具有固有小信號的交流等效電路。

金屬互連電感標記為 L g、 L d和 L s，而柵極電容標記為 C gs和 C gd，它們使用經驗函數分為常數（C gs0和 C gd0）和偏置相關電容。10漏極到源極的電容標記為 C ds。色散電阻為 R dis_T，而電容標記為 C dis_T 和 C gdis。柵源內部電阻為 r i。柵極、漏極和源極電阻由 R g ， R表示d_T和 R s_T分別。柵漏電阻由R gd表示。可擴展的柵極電容 C gs_sfp和 C gd_sfp與 C ds并聯，因為 ESFP 必須連接在漏極和地之間。

柵極注入 pn 二極管中脊形 HEMT的擴散電容 （ C_diffusion ） 和結電容 （ C_junction ） 如圖 4b 所示。11此處使用的端子位于源極和柵極之間。C _diffusion甚至可以作為 C dis_T工作。

圖 3：MIS 和 ridge HEMT 模型的電路

圖 4：等效電路

實驗與討論

具有脈沖測量模式的曲線跟蹤器用于測量所采用的兩種晶體管結構的 DC。為此提供的偏置具有 100 ms 的脈沖寬度和 50% 的占空比。

在實驗之前使用多柵極長度和寬度器件進行測量，以獲得線性和飽和漏極電流、閾值電壓的模型參數以及柵極通道中的長度和寬度依賴性。

該模型具有高精度，可用于 MIS 和脊形 HEMT 器件，用于在線性和飽和區激發靜態漏極電流。這在圖 5 和圖 6 中得到了清晰的體現。S 參數測量以及小信號 AC 表征可以有效地用于評估等效電路。1

圖 5：測量和模擬的 Ids-Vgs

圖 6：測量和模擬的 Ids-Vds

結論

本文總結了 HEMT 的兩種模型：漏極電流模型 MIS 和脊 GIT。用于交流和瞬態仿真的小信號等效電路模型也使用測量值和 S 參數制作。對于脊形 HEMT，詳細討論了柵極泄漏電流模型以及過量漏極電流。可以使用 MIS-HEMT 模型創建漏極電流模型的其他修改方程。HSPICE 與 Verilog-A 語言結合使用來創建此模型。我們的測試設置與該模型及其參數配合良好，可應用于電源設計。可以設計瞬態和噪聲等效電路以及模型方程來更快速地切換電源。