综述：揭示GaN HEMT结构与性能之间的关系：一个经过TCAD验证的物理模型选择框架

《Micro and Nanostructures》：Unveiling GaN HEMT Structure–Performance Relationships: A TCAD-Validated Framework for Physical Model Selection

GaN HEMT结构性能关系研究建立TCAD验证框架，揭示几何因素对阈值电压、击穿电压等电学特性的影响，发现表面施主陷阱主导kink效应和门泄漏，提出物理模型选型指南，实现可靠性与性能的协同优化。

　　GaN HEMTs，即氮化镓高电子迁移率晶体管，作为一种先进的半导体器件，正日益受到科研界和工业界的重视。随着电子设备向更高频率、更高功率和更高效能方向发展，GaN HEMTs凭借其独特的物理特性，成为传统硅基器件的有力替代者。这种器件的结构与性能之间的关系，是实现其优化设计和提升可靠性的关键。本文旨在构建一个基于技术计算机辅助设计（TCAD）的系统性框架，以全面解析GaN HEMTs的结构与性能之间的联系，并通过模拟与实验的结合，揭示影响其性能的关键因素。

GaN HEMTs的核心优势源于其宽禁带特性。相较于硅材料，GaN的宽禁带（约3.39电子伏特）使其能够在更高的电压下工作，同时具有更低的开关损耗和更高的能量效率。这些特性使得GaN HEMTs在高频和高功率电子应用中表现出色，例如5G通信、电动汽车、航空航天以及可再生能源系统。随着这些应用领域的迅速扩张，GaN HEMTs的市场需求也在不断增长。据市场数据，2022年GaN HEMT市场价值约为75.1亿美元，预计到2032年将达到168.2亿美元，复合年增长率（CAGR）高达8.4%。这一增长趋势不仅反映了GaN HEMTs在性能上的优势，也表明了其在技术发展中的重要地位。

在GaN HEMTs的结构设计方面，研究人员通常会考虑多种关键参数，如栅极长度、栅极与漏极间距、栅极与源极间距、场板配置、背势垒等。这些参数的微小变化都可能对器件的电气性能产生显著影响。例如，栅极长度直接影响器件的高频响应能力，而栅极与漏极间距则与漏极电流的稳定性密切相关。此外，场板和背势垒的设计对于控制电场分布、减少寄生效应以及提升器件的热稳定性具有重要作用。然而，尽管这些参数在设计中被广泛讨论，它们如何具体影响阈值电压、击穿电压、跨导、导通电阻、最大漏极电流以及频率性能等关键指标，仍然缺乏系统性的量化分析。

为了弥补这一不足，本文提出了一种TCAD验证的系统性框架，旨在通过大规模模拟数据库，揭示结构参数与电气性能之间的统计关系。这一框架不仅有助于理解GaN HEMTs的结构特性如何影响其性能表现，还为后续的优化设计提供了理论依据。通过这一方法，研究人员可以更高效地探索不同的结构配置，预测其性能表现，并减少对实验验证的依赖。TCAD工具，如Silvaco Atlas和Synopsys Sentaurus，已被广泛应用于GaN HEMT的设计和模拟，它们能够准确地模拟电场分布、热传导和载流子迁移等物理过程，从而提高模拟的精度和预测能力。

在可靠性分析方面，本文指出，表面施主陷阱是GaN HEMTs中导致Kink效应、漏极电流退化和栅极漏电流的主要因素。这些陷阱通常位于器件的界面区域，例如AlGaN/GaN异质结的界面或GaN与衬底之间的界面。它们的存在会影响载流子的迁移行为，进而对器件的稳定性和长期可靠性构成威胁。通过TCAD模拟，研究人员可以识别这些陷阱的具体分布及其对器件性能的影响，从而为优化设计和提高可靠性提供重要指导。此外，本文还强调了物理模型在模拟中的关键作用，例如漂移-扩散载流子传输模型、费米-狄拉克载流子统计模型、自发极化和压电极化模型、肖克利-雷德-霍尔（SRH）复合和奥格（Auger）复合模型、Albrecht和FLDMOB场依赖迁移率模型，以及Selberherr击穿模型。这些模型的合理选择和应用，能够显著提升模拟的准确性，并为实际器件的优化提供可靠的理论支持。

本文的研究成果不仅为GaN HEMTs的设计提供了新的视角，也为未来的器件开发奠定了坚实的基础。通过系统性地整合结构设计、物理建模和可靠性分析，本文提出的框架能够帮助研究人员更全面地理解GaN HEMTs的性能表现，并在设计过程中实现性能与可靠性的平衡。此外，该框架还为模拟驱动的设计方法提供了验证依据，使设计者能够在模拟环境中提前预测和优化器件的性能，从而减少实验成本和开发时间。

随着GaN HEMT技术的不断进步，其结构复杂性也在逐步增加。这使得结构参数之间的相互作用更加显著，进而影响器件的整体性能。例如，栅极长度的缩短可能会提升器件的频率响应能力，但同时也可能增加寄生电容和漏电流，导致性能的折衷。因此，如何在不同结构参数之间找到最佳平衡点，成为GaN HEMT设计中的一个重要挑战。本文提出的框架通过系统性地分析这些参数之间的关系，为解决这一问题提供了新的思路。

在实际应用中，GaN HEMTs的性能表现不仅受到结构设计的影响，还受到材料质量、制造工艺和环境因素的制约。因此，构建一个能够全面考虑这些因素的分析框架，对于提升GaN HEMTs的性能和可靠性至关重要。本文通过结合文献综述和TCAD模拟，提供了一个系统性的方法，使研究人员能够在设计初期就考虑到这些因素，并在模拟过程中进行优化和调整。这种方法不仅提高了设计效率，还增强了对器件行为的理解，从而为未来的技术发展提供了有力支持。

本文的研究成果还具有重要的工程意义。通过明确结构参数与性能指标之间的关系，研究人员可以更有效地指导实际制造过程，优化工艺参数，以提升器件的性能和可靠性。此外，本文提出的模拟与实验相结合的方法，也为其他类型的半导体器件设计提供了借鉴。在当前技术快速发展的背景下，这种系统性的分析框架对于推动GaN HEMTs的技术创新和商业化应用具有重要意义。

总之，本文通过构建一个TCAD验证的系统性框架，全面解析了GaN HEMTs的结构与性能之间的关系，并揭示了影响其可靠性的关键因素。这一框架不仅为研究人员提供了理论支持，也为工程实践提供了指导，有助于实现GaN HEMTs的优化设计和高效开发。随着技术的不断进步，GaN HEMTs有望在未来的电子设备中发挥更大的作用，为高性能、高可靠性的电子系统提供强有力的支持。