GaN HEMT中短沟道效应的建模

来源：Modeling of Short-Channel Effects in GaN HEMTs（TED 20年）

摘要

在本文中，我们提出了一种用于估算GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）器件中短沟道效应（SCEs）的显式和解析的基于电荷的模型。该模型源自洛桑联邦理工学院（École Polytechnique Fédérale de Lausanne，EPFL）HEMT模型的物理电荷基础核心，该模型将HEMT视为广义MOSFET。本文的主要重点是通过有效捕捉二维沟道电势分布来估算SCEs，包括计算减少的势垒高度、漏致势垒降低（Drain-Induced Barrier Lowering，DIBL）、速度饱和和沟道长度调制（Channel Length Modulation，CLM）。该模型经与TCAD模拟结果验证，并在所有工作区域内与测量数据相符。这标志着利用AlGaN/GaN异质结构设计高频和超低噪声HEMT器件迈出了关键的一步。

关键词：AlGaAs/GaAs高电子迁移率晶体管（HEMT）、AlGaN/GaN HEMT、沟道长度调制（Channel Length Modulation，CLM）、基于电荷的洛桑联邦理工学院（EPFL）HEMT模型、漏致势垒降低（Drain-Induced Barrier Lowering，DIBL）、短沟道效应（Short-Channel Effects，SCEs）、速度饱和。

文章的研究内容

本文的研究内容主要集中在针对氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)中的短沟道效应(SCEs)的建模工作。研究团队提出了一个基于电荷的显式解析模型，用于精确估算GaN HEMT器件在短沟道条件下的各种物理现象，包括但不限于：减小的势垒高度、漏极诱导势垒降低(Drain-Induced Barrier Lowering, DIBL)、速度饱和以及通道长度调制(Channel Length Modulation, CLM)等效应。

该模型建立在École Polytechnique Fédérale de Lausanne(EPFL) HEMT模型的核心物理电荷基础之上，并将HEMT视为广义的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，通过有效捕获二维通道势能分布来计算上述效应。为了验证模型的有效性，研究者将其与TCAD数值模拟结果进行了对比，并且与实验数据在所有操作区域（从线性区到饱和区，从弱反型到强反型区）的一致性良好，特别是在多种不同沟道长度条件下（如LG=1微米至42纳米），均能够准确地重现实验数据，证明了所提出的模型对于覆盖整个设备运行范围内的SCE具有足够的能力。

这项工作的完成是朝着设计高性能、高功率和超低噪声应用中使用的短沟道GaN HEMT的重要一步。通过对短沟道HEMT输入输出特性进行分析推导，并考虑垂直电场导致的迁移率减少、速度饱和、DIBL、CLM、接入电阻和自热等影响因素，研究团队发展了一个基于物理学原理的解析模型，该模型对GaN HEMT的二维静电行为进行了精确描述。

文章的研究方法

文章的研究方法基于对氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）的物理电荷分布进行详细的2维分析。首先，作者借鉴并扩展了École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) HEMT模型的核心思想，将HEMT视为广义的MOSFET，并利用理想长沟道GaN HEMT的一维泊松方程确定沟道内电荷密度分布。通过引入电荷相对于表面势能线性化的概念以及归一化量，该模型可以重新运用为传统MOSFET开发的各种设计和建模技术。

进一步，研究人员针对短沟道效应（SCEs）如漏致势垒降低（DIBL）、通道长度调制（CLM）、速度饱和、过冲效应以及接入电阻和自热的影响进行了细致的建模。他们采用显式和解析的方法，在亚阈值和阈值以上区域分别解决了2维表面势能问题。具体来说，他们在亚阈值区域获得了全面的2维表面势能解，并考虑了速度饱和效应对有效载流子密度的影响，从而计算出阈值以上区域的表面势能。

为了获得模型参数，作者采用了公式(15)来确定表面势能的最小位置，并依赖于Fourier级数近似以实现紧凑模型的目的。通过结合公式(16)和(17)以及(18)中提出的数学函数，模型成功地连接了器件线性和饱和工作区域，并在不同的栅极电压和漏极电压下精确预测了表面势能的变化。

最终，通过比较模型预测结果与TCAD数值仿真及实际器件测量数据，验证了所提出模型在各种操作条件下的有效性，尤其是沟道长度从1微米缩小到42纳米时的短沟道效应表现。这一模型不仅提供了深入理解GaN HEMT器件内部工作机理的新工具，也为优化设计高频、大功率和超低噪声的AlGaN/GaN异质结构HEMT器件迈出了关键的一步。

文章的创新点

本文的创新点在于提出了一种基于电荷的显式解析模型，专门用来估计氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）中的短沟道效应（SCEs）。这个模型建立在EPFL HEMT模型的物理电荷核心基础上，并创造性地将HEMT作为广义MOSFET对待，通过有效捕捉二维通道势能分布来解决以往模型在短沟道情况下无法充分描述的问题。

其创新之处体现在以下几个方面：

1. 模型考虑到当器件尺寸缩小至沟道长度小于耗尽宽度时，短沟道效应对器件性能的影响日益显著，特别是漏极电压引起的势垒降低（DIBL）效应。
2. 模型整合了速度饱和效应，这是由于沿通道方向显著的纵向电场导致的，这引发了通道长度调制（CLM）现象，而这些效应在传统的1维分析中往往被忽视或简化处理。
3. 将模型扩展到2维分析，确保能够准确地描述HEMT的静电行为，尤其是在短沟道条件下，这是随着技术节点不断缩小必须面对的挑战。
4. 明确构建了一个可同时处理多个重要短沟道效应的综合模型，包括DIBL、CLM、速度饱和、速度过冲、接入电阻变化以及自热效应等，并提供了解析形式的解决方案。
5. 模型经过与TCAD数值模拟结果和实验数据在所有工作区域的严格验证，表明该模型在设计高频、低噪声GaN HEMT器件方面具有重要的应用价值。

本文的主要创新在于提供了一种全新的、全面考虑多种短沟道效应并得到广泛验证的GaN HEMT物理模型，这对于先进宽禁带集成电路的设计和优化具有重要意义。

文章的结论

文章的结论是，研究人员成功开发了一个基于物理原理的显式解析电荷模型，用以精确估算GaN高电子迁移率晶体管中的短沟道效应（SCEs），其中包括减小的势垒高度、漏极诱导势垒降低（DIBL）、速度饱和以及通道长度调制（CLM）等现象。该模型是在EPFL HEMT模型的电荷核心基础上构建的，并将HEMT视为一种广义的MOSFET以充分利用现有MOSFET的设计和建模技术。

通过详尽的理论推导和数学分析，研究者实现了对GaN HEMT器件在二维空间内表面电位分布的完整解析，并在亚阈值和阈值以上区域得到了完整的表面势能解。模型特别关注了短沟道条件下速度饱和对有效载流子密度的影响，并将DIBL、CLM、接入电阻和自热等多种短沟道效应集成到模型之中。

模型经过与TCAD数值模拟结果和实验数据的全面对比验证，在各种工作区域和不同沟道长度（从1微米到42纳米）条件下都显示出良好的一致性。这意味着该模型能有效地描述和预测GaN HEMT在短沟道情况下的复杂电气行为，从而为设计和优化高频、高功率和超低噪声的AlGaN/GaN异质结构HEMT器件提供了有力的理论工具和依据。总体而言，这篇论文的工作代表了向使用短沟道GaN HEMT实现高性能应用迈进的关键一步。