基于多目标优化方法的GaN-on-Si HEMT外延设计与性能提升的多场景耦合模型

《IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems》：Multiscenario Coupled Model of GaN-on-Si HEMTs Epitaxial Design and Performance Improvement Based on Multiobjective Optimization Method

　　

摘要：

氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN-on-Si HEMTs）在硅基板上由于具有高频、高速和低成本的优势，在射频器件领域展现出巨大的潜力。然而，由于硅基板与GaN外延层之间的晶格参数和热膨胀系数不匹配所导致的热应力限制了器件的性能。由于不同场景下的温度分布不同，迫切需要一个模型来平衡外延生长与器件运行之间的矛盾，以便共同设计GaN-on-Si HEMTs的外延结构。本研究提出了专门针对GaN外延生长和器件运行设计的热应力公式，这些公式基于Townsend的多层薄膜曲率和应力理论。此外，我们创新性地提出了一个基于多目标优化的多场景耦合GaN-on-Si HEMTs外延结构设计模型。该模型结合了器件运行期间经历的热应力以及外延层的总热阻和体热导率作为综合目标函数。通过仿真验证，该模型已被证明能够有效计算出满足多种需求的优化外延结构参数，并且能够有效降低工作温度。该模型可以加速GaN外延设计过程，并为提高GaN-on-Si HEMTs的性能提供有效方法。

引言

氮化镓在硅上的高电子迁移率晶体管（GaN-on-Si HEMTs）具有高频、高速和低成本的优势[1]、[2]、[3]。它可以与传统的硅器件集成在同一晶圆上，实现系统级集成[4]、[5]、[6]、[7]，在射频器件领域展现出巨大潜力。目前，用于缓解GaN在硅基板上外延生长过程中应力的技术包括使用复合基板[8]、网格掩模图案化基板[9]、低温AlN插入层[10]、[11]、AlN/(Al)GaN超晶格层[12]和AlGaN缓冲层[13]。在这些解决方案中，使用AlGaN缓冲层的方法尤为突出，因为它避免了漫长的工艺准备过程，满足了关断状态电压的要求，并提供了更简单、更可控的工艺流程。此外，AlGaN缓冲层方法在调整AlGaN层的数量和组成方面具有灵活性。因此，这种方法近年来被广泛使用并进行了深入研究。然而，由于硅基板与GaN外延层之间的晶格参数和热膨胀系数不匹配，完全实现GaN器件的高功率特性变得具有挑战性[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。目前，外延结构主要依赖于后续器件结构设计的要求。通过结合工艺参数和应力调节，也提高了外延生长的质量。Wang等人[20]证实，无应力生长可以产生表面光滑、晶体质量高的GaN薄膜。Qiu等人[21]提出了一种通过调整键合晶圆的厚度来减轻热应力不利影响的有效策略。Simsek等人[22]指出，成核层生长温度可以有效控制外延生长过程中的拉伸应力。Shang等人[23]指出，GaN成核层的退火时间可以有效控制GaN成核岛的密度和大小，进而决定GaN薄膜的晶体质量。已有许多研究报道了器件性能和薄膜质量的情况。然而，目前缺乏理论模型来协调不同场景下对外延结构的相互矛盾的要求。