来源：Analyzing E-Mode p-Channel GaN H-FETs Using an Analytic Physics-Based Compact Model（TED 24年）

摘要

随着近期对用于GaN互补技术集成电路（ICs）开发的p沟道GaN器件研究兴趣的激增，一套全面的模型对于加速器件设计至关重要。本文提出了一种解析模型，用于理解GaN p沟道场效应晶体管（p-FET）的电流-电压（I-V）特性。该模型基于基于物理的静电学表达式，自洽求解薛定谔-泊松方程，并结合费米-狄拉克统计以及二维电子气（2DHG）的二维态密度（2D-DOS）。此外，该模型还利用漂移-扩散机制来描述空穴传输，并通过涵盖增强模式和耗尽模式GaN p-FET的实验数据进行了验证。

我们进一步利用所开发的基于物理的模型深入分析了器件性能及各种器件特性，包括阈值电压与p-GaN区域内的器件尺寸和掺杂浓度之间的关系。这一模型特点尤为宝贵，因为它有助于设备优化。因此，代工厂的工艺工程师在开发p沟道GaN FET时，可以利用我们的模型来改进他们的制造工艺。

关键词：互补FET、漂移-扩散、GaN、p沟道、基于物理的模型、薛定谔-泊松。

文章的研究内容

文章《使用解析物理基础紧凑模型分析E模式GaN p沟道H-FETs》介绍了为加速GaN互补技术集成电路（IC）中p沟道GaN器件设计而开发的一个全面的分析模型。该模型主要用于理解和预测GaN p沟道场效应晶体管（p-FET）的电流-电压（I-V）特性。模型基于电静力学的物理表达，自洽求解薛定谔-泊松方程，并结合了费米-狄拉克统计及二维电子态密度（2D-DOS），用于描述二维空穴气（2DHG）。同时利用漂移-扩散机制来考虑空穴的传输行为，并通过与包含增强模式和耗尽模式两种类型GaN p-FET实验数据的对比验证了模型的有效性。

此外，作者进一步运用所建立的物理基础模型深入分析了器件性能以及不同设备参数如阈值电压等与p-GaN区域内的器件尺寸和掺杂浓度的关系，这有助于优化器件设计。因此，制造厂中的工艺工程师可以应用这一模型改进他们在研发p沟道GaN FET时的生产工艺流程。

该研究提供了一个基于物理原理的解析模型，以解决当前对p沟道GaN器件在开发GaN互补电路方面的高度关注问题，并助力于提高相关器件的设计效率与性能表现。

文章的创新点

文章《使用解析物理基础紧凑模型分析E模式GaN p沟道H-FETs》的创新点在于提出了一个针对GaN p沟道场效应晶体管（p-FET）设计的新型、全面且基于物理原理的解析模型。该模型的独特之处体现在以下几个方面：

1. 自洽解决电荷分布问题：模型基于薛定谔-泊松方程的自洽求解，用于计算二维空穴气（2DHG）中的电荷密度，这在理解器件内部复杂的量子力学现象上具有重要意义。

2. 考虑统计学和能态密度：模型整合了费米-狄拉克统计以及二维密度态（2D-DOS），从而准确描述二维空穴系统的性质。

3. 漂移-扩散机制的应用：利用漂移-扩散机制来模拟空穴的传输行为，以更精确地预测器件的电流-电压特性。

4. 全面性与可扩展性：模型能够对不同结构参数如通道层厚度、栅氧化层厚度及掺杂浓度变化下的器件性能进行全面分析，并已通过对比实验数据验证其有效性，表明该模型适用于多种结构条件下的GaN p-FET分析。

5. 优化工具价值：首次提供了基于物理理论的GaN p沟道高电子迁移率晶体管（HFET）的解析模型，这对于深入分析和优化GaN p沟道器件至关重要，进而有助于推动全GaN互补集成电路的发展。

本文所提出的模型是目前GaN p沟道FET领域的一个重要突破，它为工艺工程师提供了一种强大的工具，用以改进制造过程并优化此类器件的设计，填补了之前在这方面研究的空白。

文章的研究方法

1. 物理模型构建：基于GaN p沟道场效应晶体管（p-FET）的器件结构和电荷分布特性，研究者建立了一个解析物理学模型。该模型以二维空穴气（2DHG）为基础，通过求解薛定谔-泊松方程来计算二维电子态密度（2D-DOS），并结合了费米-狄拉克统计理论。

2. 电静力学分析与电荷密度计算：首先对器件的电荷分布和静电势进行分析，确定各个区域的能带结构，并计算出在不同电压偏置和结构参数下2DHG中的电荷密度。

3. 载流子传输机制：采用漂移-扩散理论描述空穴在器件内的输运过程，这有助于理解电流如何随电压变化而变化，从而形成I-V特性曲线。

4. 阈值电压及器件性能分析：利用所建模型分析了阈值电压以及其他关键器件特性（如电容-电压C-V特性、有效质量等）与设备尺寸、p-GaN区域掺杂浓度之间的关系，为优化器件设计提供了理论依据。

5. 验证与应用：将模型预测结果与实验数据进行了对比验证，涵盖了增强模式和耗尽模式两种GaN p-FET，确保模型的准确性和适用性。此外，还展示了模型如何应用于不同结构条件下的GaN p-FET分析，包括调整材料参数（如极化电荷密度、介电常数、Mg掺杂浓度、外扩分量和层厚度）以适应各种结构验证。

研究方法主要围绕构建一个全面的、基于物理原理的GaN p沟道FET解析模型，并利用这一模型深入探讨和预测器件的关键性能指标，最终目的是加速GaN互补技术集成电路的设计进程和提高器件性能。

文章的研究结论

1. 作者成功开发了一个基于物理学的解析模型，用于精确预测和理解GaN p沟道场效应晶体管（p-FET）的电流-电压特性。该模型综合考虑了二维空穴气的电荷分布计算、薛定谔-泊松方程自洽求解以及费米-狄拉克统计，并利用漂移-扩散机制来描述空穴在器件中的传输行为。

2. 文中提出的模型经过与实验数据对比验证，在涵盖增强模式和耗尽模式两种类型的GaN p-FET上显示出良好的一致性，证明了模型的有效性和准确性。

3. 利用这一物理模型，研究者深入探讨了器件性能参数如阈值电压等与p-GaN区域的几何尺寸和掺杂浓度之间的关系，这对于优化器件设计和工艺制程至关重要。

4. 结论指出，该模型能够为半导体制造厂的工艺工程师提供有力工具，帮助他们在研发p沟道GaN FET时改进制造过程，促进GaN互补技术集成电路的发展。

本文通过构建并验证一个全面的、基于物理学原理的GaN p沟道FET解析模型，不仅加深了对这类器件工作机理的理解，而且为推动GaN互补电路的实际应用提供了实用的设计与优化手段。