硅基AlGaN/GaN HEMT器件的迁移率及其相关参数受几何形状和热效应的影响

《Solid-State Electronics》：Geometrical and thermal effects on mobility and analog parameters of AlGaN/GaN HEMTs on silicon substrates

温度与通道几何对硅基AlGaN/GaN HEMT性能的影响研究，通过-35°C至25°C温度范围内器件长宽比的系统分析，发现迁移率（μ_eff > μ_FE > μ_o）和关键参数（V_T、SS、g_m等）均呈现温度敏感性，声子散射主导的负温度系数与短沟道效应协同影响器件性能。

　　

Maria Glória Ca?o de Andrade | Braz Baptista Júnior | Eduardo Canga Panzo | Rodrigo T. Doria | Renan Trevisoli | Eddy Simoen

圣保罗州立大学（UNESP），科学技术研究所，3月3日大道511号，18087-180索罗卡巴，巴西

摘要

本研究探讨了温度和沟道几何结构对在硅基板上制造的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMTs）的模拟性能的影响。研究了不同长度和宽度的器件在-35°C至25°C温度范围内的特性。采用了四种不同的方法来提取载流子迁移率：有效迁移率（μ_eff）通过低漏极电压下的I_D/(V_G–V_T)比值计算得出；场效应迁移率（μ_FE）通过线性区域内的跨导值获得；低场迁移率（μ_o）通过漂移-扩散模型估算；峰值跨导迁移率则通过g_m的最大值得出。结果一致表明μ_eff > μ_FE > μ_o，并且所有迁移率均随温度升高而降低，这是由于声子散射增强所致。同时评估了阈值电压（V_T）、亚阈值摆幅（SS）、跨导（g_m）、漏极诱导屏障降低（DIBL）、输出导纳（g_D）、Early电压（V_{EAV）等关键参数，证实温度和几何结构对器件性能有显著影响。}

引言

AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMTs）因其在高功率、高频和高温应用中的优异性能而受到广泛关注。其优势源于AlGaN/GaN界面处的自发极化和压电极化，这种极化能够在不进行额外掺杂的情况下产生高密度的二维电子气（2DEG）[1]。这提高了载流子迁移率和电子密度，使得这些器件适用于功率电子学和射频系统[[2], [3], [4]]。

尽管AlGaN/GaN HEMTs在电学和热学性能上优于传统的硅基器件，但其性能仍受温度的强烈影响。关键电学参数，如阈值电压（V_T）、载流子迁移率（μ）、跨导（g_m）、输出导纳（g_D）、Early电压（V_EA）和内在增益（A_V），都对器件几何结构和热条件非常敏感。沟道长度（L）的调整会影响短沟道效应，如漏极诱导屏障降低（DIBL），而温度变化则会影响陷阱活性、载流子散射和静电特性，从而影响亚阈值摆幅（SS）[5]。

在低温下，减少的声子散射有助于提高迁移率和跨导，而较低的热能则使亚阈值摆幅变陡峭，并降低陷阱的激活概率[4]。

本研究的动机在于了解汽车、航空航天和工业环境中常见的适中低温条件如何影响AlGaN/GaN HEMTs的模拟性能。详细评估沟道长度（L）、宽度（W）和温度对迁移率、阈值电压（V_T、漏极诱导屏障降低（DIBL）和内在增益（A_V）的影响，对于提高电路可靠性和效率至关重要。因此，本研究实验性地研究了AlGaN/GaN HEMT性能对温度（-35°C至25°C）、沟道长度和宽度的依赖性。

部分内容摘要

器件特性

所研究的器件是通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术在高电阻率200毫米Si（111）衬底上生长的AlGaN/GaN HEMT。器件采用无金栅极先制作工艺进行加工。为降低射频损耗，使用了高电阻率Si衬底，并结合了精细的缓冲层设计，以及在较低生长温度下进行C掺杂以形成半绝缘GaN缓冲层，并严格控制了生长过程中的热预算。

漏极电流和跨导

研究了AlGaN/GaN HEMTs的电学行为与温度和沟道几何结构的关系。图1和图2显示，由于2DEG中载流子迁移率的提高（这是由于声子散射减少所致），漏极电流（I_D）和跨导（g_m在低温下增加。同样，图2还表明最大跨导（g_max随温度升高而降低。栅极长度较短的器件具有更高的g_max，因为g_m与栅极长度成反比关系。

结论

本研究评估了温度和沟道几何结构对硅基AlGaN/GaN HEMTs性能的影响。分析了不同沟道长度和宽度的器件在-35°C至25°C温度范围内的性能。比较了四种迁移率提取方法，结果一致显示μ_eff > μ_FE > μ_o，其中μ_eff/g_max的值最高。这些差异反映了每种方法的假设和敏感性。

迁移率随温度和某些因素的增加而提高。

CRediT作者贡献声明

Maria Glória Ca?o de Andrade： 项目管理、研究、数据分析。

Braz Baptista Júnior： 数据分析。

Eduardo Canga Panzo： 数据分析。

Rodrigo T. Doria： 数据可视化。

Renan Trevisoli： 文稿撰写、审阅与编辑、数据管理。

Eddy Simoen： 数据可视化、监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

感谢imec提供样品。同时感谢CAADI（多元化与平等行动协调机构）、巴西研究资助机构CAPES（项目编号：2023/00123-7）和CNPq（项目编号：304752/2025-8）的支持。