近日，蘇州能訊與蘇州實驗室、中科院蘇州納米所在氮化物高電子遷移率晶體管的低場遷移率解析物理模型研究上取得重要進展。該研究首次將二維電子氣（2DEG）的低場遷移率與多種散射機制結(jié)合，并考慮量子效應(yīng)對2DEG有效質(zhì)量的影響，建立了一種低場遷移率解析物理模型，既顯著減少了對經(jīng)驗參數(shù)的依賴，也提高了對器件中電子輸運特性的預(yù)測能力。該成果有望在氮化物功率器件，射頻器件研究以及集成電路設(shè)計中發(fā)揮重要作用。相關(guān)成果以“An Analytical Physics-based Model for Low-Field Mobility in Nitride High-Electron-Mobility Transistor Considering the Momentum Relaxation and Two-dimensional Electronic Gas Effective Mass.[1]”為題于2025年10月在線發(fā)表于Journal of Applied Physics上。

研究背景

氮化物高電子遷移率晶體管（HEMT）因其在高功率和高頻應(yīng)用中的突出性能，近年來成為半導(dǎo)體領(lǐng)域的研究重點和熱點。在HEMT中2DEG的遷移率和濃度直接決定器件性能，因此對于2DEG遷移率和輸運性質(zhì)的建模具有重要研究意義。現(xiàn)有遷移率模型多基于經(jīng)驗擬合或數(shù)值模擬，參數(shù)繁多且缺乏物理透明性，難以準確揭示不同散射機制及量子效應(yīng)對2DEG輸運特性的影響，這極大限制了對器件物理的深刻理解以及建模設(shè)計的預(yù)測準確性。

研究亮點

本研究提出了一種能夠同時描述GaN基器件中2DEG的動量弛豫時間、低場電子遷移率與有效質(zhì)量的解析物理模型。模型既避免了傳統(tǒng)方法中需大量經(jīng)驗參數(shù)擬合的問題，也顯著提高了預(yù)測能力和計算效率。該模型系統(tǒng)考慮了電離雜質(zhì)散射、背景散射、界面粗糙度、偶極子散射、帶電位錯散射、合金無序以及聲子散射等機制對動量弛豫時間的影響，通過近似展開和解析推導(dǎo)，得到了可用于快速計算的公式。同時，針對2DEG有效質(zhì)量隨界面量子效應(yīng)而變化的問題，研究引入了非拋物線性效應(yīng)，極化子效應(yīng)，應(yīng)變效應(yīng)，波函數(shù)穿透效應(yīng)四類物理修正。這使得模型計算出的有效質(zhì)量更符合實際物理過程。最后將解析模型結(jié)果與光學(xué)霍爾效應(yīng)（OHE）測量的二維電子氣濃度、遷移率和有效質(zhì)量進行了對比。

結(jié)果表明，在不同Al組分條件下，模擬與實驗高度一致，證明了模型在物理正確性與工程適用性上的可靠性。該研究有望在氮化物功率器件，射頻器件設(shè)計以及集成電路設(shè)計中發(fā)揮重要作用。

圖1：2DEG濃度與AlGaN/GaN HEMT中Al組份的關(guān)系。模擬與實驗數(shù)據(jù)非常吻合，允許將其用于計算LFE遷移率。

圖2：2DEG有效質(zhì)量與AlGaN/GaN HEMT中Al組份的關(guān)系。圖中說明模型計算出的2DEG有效質(zhì)量和OHE測量值非常吻合，并且落在確定性區(qū)間內(nèi)。

圖3：2DEG動量弛豫時間與AlGaN/GaN HEMT中Al組份的關(guān)系。圖中表示模擬和測量之間具有良好的一致性，并且落在確定性區(qū)間內(nèi)。

圖4：考慮 2DEG 有效質(zhì)量和動量弛豫時間后2DEG低場遷移率與AlGaN/GaN HEMT中Al組份的關(guān)系。圖中表示模擬結(jié)果隨摩爾分數(shù)單調(diào)變化，而實驗數(shù)據(jù)表現(xiàn)出振蕩外觀，這是因為界面參數(shù)設(shè)置有關(guān)。

蘇州實驗室Amgad A. Al-Saman博士為論文的第一作者、蘇州能訊高能半導(dǎo)體有限公司裴軼博士以及蘇州實驗室楊曉琴老師為論文共同通訊作者。該工作得到了蘇州實驗室顧宏老師和中國科學(xué)院蘇州納米所徐科老師等合作者的指導(dǎo)和幫助。研究工作獲得了江蘇省優(yōu)秀博士后計劃、姑蘇領(lǐng)軍人才計劃的支持。

原文鏈接 [1] https://doi.org/10.1063/5.0288826

關(guān)于能訊

蘇州能訊具有0.45um、0.25um、0.15um、0.1um工藝制程能力，支持DC-40GHz應(yīng)用頻段，為300余家客戶提供高性能產(chǎn)品及優(yōu)質(zhì)服務(wù)。依托自身優(yōu)勢平臺和創(chuàng)新想法，一直以來致力于與國內(nèi)外優(yōu)秀科研院所，高校與企業(yè)展開合作，從基礎(chǔ)創(chuàng)新研究促進產(chǎn)學(xué)研融合，推動氮化鎵的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。未來，能訊也將繼續(xù)以“創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，加強基礎(chǔ)研究”為引擎，努力推進行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)難題解決，助力我國第三代半導(dǎo)體技術(shù)的持續(xù)突破與全球競爭力提升。