Численный анализ AlGaAs/InGaAs/GaAs pHEMT

Введение. В большинстве технологических процессов параметры транзисторов имеют некоторую вариацию значений. Таким образом, возникает разброс параметров интегральной схемы (ИС) около номинальных значений, указанных в технологической спецификации. Достижение параметрической надежности проектируемых устройств является неотъемлемой частью параметрического анализа с использованием моделирования. В данной статье представлен численный анализ псевдоморфного транзистора с высокой подвижностью электронов GaAs/AlGaAs/InGaAs в среде TCAD. Основное внимание уделено анализу стоковых и сток-затворных вольт-амперных характеристик (ВАХ) с учетом 10 % отклонений от заявленных производителем параметров pHEMT. Проведена оценка высокочастотных свойств моделируемого pHEMT. Проанализировано влияние толщины спейсера на стоковые и сток-затворные характеристики. Анализ основан на большом объеме экспериментальных данных.
Цель работы. Численный анализ псевдоморфного транзистора с высокой подвижностью электронов AlGaAs/InGaAs/GaAs в среде TCAD.
Материалы и методы. Моделирование структуры основывается на решении фундаментальных уравнений полупроводниковой электроники с использованием численных методов анализа. Применяется гидродинамическая двумерная численная модель pHEMT, которая учитывает влияние квантовых ям, эффекты нестационарной динамики, такие как локальный перегрев в канале и насыщение скорости носителей. Экспериментальные данные pHEMT получены на производстве АО "Светлана-Рост".
Результаты. Параметрический анализ выявил критический параметр, оказывающий значительное влияние на характеристики транзисторов pHEMT, – концентрация донорного слоя AlGaAs. Изменения длины канала, длины затвора и глубины затвора в слое GaAs имеют менее выраженное влияние на электрические характеристики pHEMT. Стоковые и сток-затворные характеристики численной модели pHEMT продемонстрировали высокую степень соответствия с экспериментальными данными. Экспериментальные и расчетные ВАХ, полученные при варьировании толщины спейсера, позволили уточнить значение толщины спейсера, реализуемого в производственных условиях. В рамках данного анализа выявлена зависимость частоты отсечки от напряжения на затворе. Заключение. Проведенный анализ выявил параметры, оказывающие влияние на характеристики численной модели GaAs/AlGaAs/InGaAs pHEMT. Критические отклонения исследуемых характеристик обнаружены в результате 10 %-й вариации концентрации донорного слоя AlGaAs. Получено значение толщины спейсера, согласующееся с экспериментальными структурами, в ходе анализа экспериментальных и расчетных ВАХ с вариацией разных значений спейсера. Параметрическая стабильность является критически важным аспектом в производстве микроэлектронных приборов, влияя на надежность, долговечность, производительность, соответствие стандартам. Улучшение параметрической стабильности способствует снижению уровня брака, оптимизации производственных процессов. 

1. High electron mobility transistors: performance analysis, research trend and applications / M. N. A. Aadit, S. G. Kirtania, F. Afrin, M. K. Alam, Q. D. M. Khosru; ed. by M. M. Pejovic, M. M. Pejovic // Different Types of Field-Effect Transistors-Theory and Applications. In Tech. 2017. P. 45–64. doi: 10.5772/67796

2. Noise measurements of discrete HEMT transistors and application to wideband very low-noise amplifiers / A. H. Akgiray, S. Weinreb, R. Leblanc, M. Renvoise, P. Frijlink, R. Lai, S. Sarkozy // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2013. Vol. 61, № 9. P. 3285–3297. doi: 10.1109/TMTT.2013.2273757

3. K-band GaAs MMIC Doherty power amplifier for microwave radio with optimized driver / R. Quaglia, V. Camarchia, T. Jiang, M. Pirola, S. D. Guerrieri, B. Loran // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2014. Vol. 62, № 11. P. 2518–2525. doi: 10.1109/TMTT.2014.2360395

4. Nonlinear modeling of GaAs pHEMTs for millimeter-wave mixer design / G. Crupi, A. Raffo, G. Avolio, G. Bosi, G. Sivverini, F. Palomba, G. Vannini // SolidState Electronics. 2015. Vol. 104. P. 25–32. doi: 10.1016/j.sse.2014.11.001

5. An ultra‐wideband distributed amplifier MMICs based on 0.15‐um GaAs pHEMT technology / J. Yang, L. Wang, L. Li, J. Zhan, Y. F. Xie, M. Z. Zhan // Intern. J. of Numerical Modelling: Electronic Networks, Devices and Fields. 2020. Vol. 33, № 3. Art. № e2605. doi: 10.1002/jnm.2605

6. First demonstration of amplification at 1 THz using 25-nm InP high electron mobility transistor process / X. Mei, W. Yoshida, M. Lange, J. Lee, J. Zhou, P. H. Liu, W. R. Deal // IEEE Electron Device Let. 2015. Vol. 36, № 4. P. 327–329. doi: 10.1109/LED.2015.2407193

7. Карпов С. Н. Методика прогнозирования характеристик транзис торных GaAs-гетероструктур и полевых транзисторов на их основе // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника. 2023. Вып. 2 (558). С. 61–69.

8. SentaurusTM Device User Guide. Ver. T-2022. 03. URL: https://www.synopsys.com/support/licensing-installationcomputeplatforms/synopsys-documentation.html (дата обращения 25.03.2024)

9. Experimental Study of a Low-Voltage 4H-SiC Drift Step Recovery Diode / S. A. Shevchenko, B. V. Ivanov, A. A. Smirnov, V. A. Ilyin, A. V. Afanasyev, K. A. Sergushichev // IEEE Conf. of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus), St Petersburg, Moscow, Russia, 27–30 Jan. 2020. IEEE, 2020. P. 1004–1006. doi: 10.1109/EIConRus49466.2020.9039004

10. Коловский Ю. В., Левицкий А. А., Маринушкин П. С. Компьютерное моделирование компонентов МЭМС // Проблемы разработки перспективных микрои наноэлектронных систем (МЭС). 2008. № 1. С. 398–401.

11. Quantum Modeling of Nanoscale Symmetric Double-Gate InAlAs/InGaAs/InP HEMT / N. Verma, M. Gupta, R. S. Gupta, J. Jogi // J. of Semiconductor Technology and Science. 2013. Vol. 13, № 4. P. 342–354. doi: 10.5573/JSTS.2013.13.4.342

12. Influence of double InGaAs/InAs channel on DC and RF performances of InP-based HEMTs / H. L. Hao, M. Y. Su, H. T. Wu, H. Y. Mei, R. X. Yao, F. Liu, S. X. Sun // J. of Ovonic Research. 2022. Vol. 18, № 3. P. 411–419. doi: 10.15251/JOR.2022.183.411

13. Influence of spacer thickness on the noise performance in InP HEMTs for cryogenic LNAs / J. Li, A. Pourkabirian, J. Bergsten, N. Wadefalk, J. Grahn // IEEE Electron Device Let. 2022. Vol. 43, № 7. P. 1029–1032. doi: 10.1109/LED.2022.3178613

14. Atomic-scale insights of indium segregation and its suppression by GaAs insertion layer in InGaAs/AlGaAs multiple quantum wells / S. F. Ma, L. Li, Q. B. Kong, Y. Xu, Q. M. Liu, S. Zhang, X. D. Hao // Chinese Physics B. 2023. Vol. 32, № 3. Art. № 037801. doi: 10.1088/1674-1056/ac70b5

15. Huang Y., Shklovskii B. I., Zudov M. A. Scattering mechanisms in state-of-the-art GaAs/AlGaAs quantum wells // Physical Review Materials. 2022. Vol. 6, № 6. Art. № L061001. doi:10.1103/PhysRevMaterials.6.L061001

16. Pattnaik G., Mohapatra M. Design of AlGaAs/InGaAs/GaAs-Based PHEMT for High Frequency Application // Proc. of Intern. Conf. on Communication, Circuits, and Systems. Lecture Notes in Electrical Engineering. Vol. 728. Springer, Singapore, 2021. P. 329–337. doi: 10.1007/978-981-33-4866-0_41

17. Hwang E. H., Das Sarma S. Limit to twodimensional mobility in modulation-doped GaAs quantum structures: How to achieve a mobility of 100 million // Phys. Rev. B. 2008. Vol. 77, № 23. Art. № 235437. doi: 10.1103/PhysRevB.77.235437

18. Influences of δ‐doping time and spacer thickness on the mobility and two‐dimensional electron gas concentration in δ-doped GaAs/InGaAs/GaAs pseudomorphic heterostructures / H. M. Shieh, W. C. Hsu, M. J. Kao, C. L. Wu // J. of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena. 1994. Vol. 12, № 1. P. 154–157. doi:10.1116/1.587174

19. Gao H. C., Yin Z. J. Theoretical and Experimental Optimization of InGaAs Channels in GaAs PHEMT Structure // Chinese Physics Let. 2015. Vol. 32, № 6. Art. № 068102. doi: 10.1088/0256-307X/32/6/068102