GaN HEMT 这个方向我前前后后断断续续折腾了快两年从最开始连极化效应都搞不明白到后来能独立跑通一套完整的器件仿真流程中间踩的坑实在太多了。Silvaco 这套 TCAD 工具链在化合物半导体领域算是比较成熟的选择尤其是 Atlas 模块对 GaN 器件的支持虽然文档写得让人想骂人但功能确实够用。这篇文章我打算把整个探索过程拆开来讲包括器件结构怎么搭、物理模型怎么选、极化电荷怎么设置、仿真结果怎么验证以及那些文档里绝对不会告诉你的坑。如果你也是刚接触 GaN HEMT 仿真或者之前用 Silvaco 做过硅器件但想转到化合物半导体方向这篇内容应该能帮你省下不少时间。1. 为什么 GaN HEMT 的仿真和硅器件完全不是一回事1.1 从硅到 GaN 的思维转换如果你之前用 Atlas 仿真过 MOSFET 或者 BJT第一次打开 GaN HEMT 的仿真案例时大概率会懵。硅器件的核心是掺杂浓度决定一切PN 结、MOS 电容、沟道形成这些概念在硅体系里非常直观。但 GaN HEMT 不一样它的导电沟道不是靠掺杂形成的而是靠自发极化和压电极化在 AlGaN/GaN 异质结界面处感应出来的二维电子气2DEG。这意味着什么呢你在硅器件里习以为常的掺杂浓度越高载流子越多的逻辑在 GaN HEMT 里完全不适用。2DEG 的浓度主要取决于 AlGaN 势垒层的 Al 组分、厚度以及极化电荷的建模方式。我一开始就是没转过这个弯按照硅器件的思路去调掺杂结果仿真出来的转移特性曲线完全不对折腾了好几天才发现问题出在极化模型上。另一个容易让人迷惑的地方是 GaN 材料的自发极化方向。纤锌矿结构的 GaN 沿 c 轴生长时Ga 面和 N 面的极化方向是相反的。常见的 Ga 面 AlGaN/GaN 异质结极化方向指向衬底2DEG 形成在 AlGaN/GaN 界面靠近 GaN 一侧。如果你把衬底方向搞反了仿真结果会完全对不上。这个细节在 Silvaco 的文档里提了一嘴但很容易被忽略。1.2 2DEG 的形成机制与仿真中的关键参数2DEG 的形成可以这样理解AlGaN 和 GaN 的自发极化强度不同加上晶格失配产生的压电极化在异质结界面处会形成一个极化电荷面密度。为了保持电中性自由电子会聚集在界面处形成高浓度的 2DEG。这个过程不需要任何掺杂这也是 GaN HEMT 能实现高电子迁移率的原因。在 Silvaco Atlas 中极化效应的建模主要靠以下几个参数控制参数含义典型值AlGaN/GaNPOLARIZATION是否开启极化模型必须设为 1PIEZO压电极化系数与 Al 组分相关SPONT自发极化系数与 Al 组分相关ALMOL.FRACAlGaN 中 Al 的摩尔分数0.15~0.35CALC.STRAIN是否计算应变建议开启我实测下来Al 组分在 0.2 到 0.3 之间时2DEG 浓度大概在 8e12 到 1.5e13 cm^-2 这个量级和文献报道基本吻合。如果仿真出来的 2DEG 浓度差了一个数量级大概率是极化参数没设对或者异质结界面的网格太粗导致电荷分配出了问题。1.3 网格划分GaN 器件仿真中最容易被低估的环节硅器件仿真里网格划分虽然重要但通常不会成为决定性的因素。GaN HEMT 就不一样了异质结界面的网格精度直接决定了 2DEG 的仿真结果是否可信。我试过在 AlGaN/GaN 界面处用 1nm 的网格间距和用 0.5nm 的网格间距仿真出来的阈值电压差了将近 0.5V。原因在于极化电荷是面电荷在数值求解时会被分配到界面附近的网格节点上。如果网格太粗电荷分配就会出现涂抹效应导致界面处的电势分布失真。我的经验是在异质结界面附近至少要有 3 到 5 个网格点间距控制在 0.5nm 以内。势垒层和沟道层内部的网格可以适当放宽到 1 到 2nm衬底部分可以更粗。另外GaN 材料的自发极化和压电极化在界面处的突变也需要网格来捕捉。如果网格太粗这个突变会被平滑掉2DEG 的浓度就会被严重低估。这一点在仿真输出中表现为转移特性曲线的跨导偏低或者输出特性曲线的饱和电流偏小。2. Silvaco Atlas 中 GaN HEMT 器件结构的搭建细节2.1 从零开始定义器件结构在 Atlas 中搭建 GaN HEMT 结构核心是mesh、region、electrode这几个语句的配合。我一般会按照外延层的实际结构来定义从衬底开始往上依次是衬底、GaN 缓冲层、AlGaN 势垒层、GaN 帽层可选、钝化层可选。衬底的选择对仿真结果影响不大但会影响热仿真。如果只做电学仿真用蓝宝石或者 SiC 衬底都可以主要区别在于热导率。我通常用 SiC 衬底因为实际器件中 SiC 衬底更常见而且后续如果要加热仿真SiC 的热导率参数也更好找。GaN 缓冲层的厚度一般在 1 到 2 微米仿真时可以适当减薄到 0.5 到 1 微米以节省计算时间。但要注意如果缓冲层太薄缓冲层/衬底界面的缺陷和陷阱效应可能会影响到沟道。我一般用 1 微米兼顾精度和速度。AlGaN 势垒层的厚度通常在 15 到 25nmAl 组分在 0.2 到 0.3 之间。这个厚度和组分直接决定了 2DEG 的浓度和器件的阈值电压。势垒层越厚、Al 组分越高2DEG 浓度越大阈值电压越负。2.2 极化电荷的手动设置与自动计算Silvaco Atlas 提供了两种极化电荷的处理方式一种是自动计算通过POLARIZATION语句开启Atlas 会根据材料参数和应变自动计算极化电荷另一种是手动设置通过INTERFACE语句在特定界面处指定固定电荷。我一开始用的是自动计算但发现结果和实验数据对不上。后来查了一些文献发现 Atlas 内置的极化系数和最新报道的值有偏差尤其是压电极化系数。于是改成手动设置在 AlGaN/GaN 界面处直接指定面电荷密度。手动设置的好处是可控性强你可以根据文献中的实验数据来调整电荷密度。缺点是如果器件结构复杂比如有多个异质结手动设置的工作量会很大。我的建议是先用自动计算跑一遍看看结果的大致趋势然后根据实验数据微调。如果偏差在 20% 以内可以通过调整 Al 组分或者势垒层厚度来补偿如果偏差很大就需要手动设置极化电荷了。2.3 电极定义与接触类型的选择GaN HEMT 的电极包括源极、漏极和栅极。源极和漏极通常是欧姆接触栅极是肖特基接触。在 Atlas 中欧姆接触用namesource和namedrain定义肖特基接触用namegate并指定功函数。这里有一个坑Atlas 默认的欧姆接触是理想接触接触电阻为零。但实际 GaN HEMT 的源漏欧姆接触电阻通常在 0.5 到 2 欧姆·毫米之间不能忽略。如果仿真时不考虑接触电阻仿真出来的饱和电流会偏高。我一般会在源漏电极处串联一个电阻来模拟接触电阻或者用CONTACT语句指定接触电阻。栅极的肖特基势垒高度也是一个关键参数。GaN 上常用的栅极金属有 Ni/Au、Pt/Au 等势垒高度在 0.8 到 1.2eV 之间。我一般用 1.0eV 作为默认值然后根据实验数据进行调整。如果仿真出来的栅极漏电流偏大可以适当提高势垒高度如果阈值电压偏负可以降低势垒高度。3. 物理模型的选择哪些必须开哪些可以关3.1 迁移率模型场依赖迁移率是必须的GaN HEMT 的沟道电场很高尤其是在饱和区场依赖迁移率效应非常明显。Atlas 提供了多种迁移率模型我一般用FLDMOB模型它考虑了平行电场对迁移率的影响。对于 GaN 材料还需要设置低场迁移率和饱和速度。GaN 的低场电子迁移率在 1000 到 2000 cm^2/Vs 之间取决于材料质量和 2DEG 浓度。我一般用 1500 cm^2/Vs 作为默认值。饱和速度在 1.5e7 到 2.5e7 cm/s 之间我一般用 2e7 cm/s。这些参数需要根据实际材料质量进行调整如果仿真出来的跨导偏低可以适当提高低场迁移率。另外AlGaN 势垒层的迁移率也需要设置。由于 AlGaN 的合金散射效应其迁移率远低于 GaN。我一般用 100 到 300 cm^2/Vs。如果势垒层的迁移率设得太高仿真出来的栅极漏电流会偏大。3.2 极化模型与陷阱效应的耦合GaN HEMT 的一个显著特点是电流崩塌效应也就是在高压开关过程中由于表面陷阱和缓冲层陷阱的充放电导致导通电阻增大、饱和电流降低。要仿真这个效应需要在 Atlas 中开启陷阱模型并在表面和缓冲层中定义陷阱。陷阱的定义包括陷阱能级、浓度、俘获截面等参数。这些参数很难从文献中直接找到通常需要根据实验数据进行拟合。我一般先用一个简单的单能级陷阱模型能级设在禁带中央附近浓度在 1e12 到 1e13 cm^-2 之间俘获截面在 1e-15 到 1e-14 cm^2 之间。然后根据脉冲 I-V 或者瞬态仿真的结果进行调整。这里有一个经验陷阱效应对直流特性的影响不大但对瞬态特性和射频特性影响很大。如果你的仿真只关注直流特性可以暂时不开启陷阱模型以节省计算时间。但如果要仿真开关特性或者射频特性陷阱模型是必须的。3.3 热效应模型什么时候需要开GaN HEMT 的功率密度很高自热效应非常显著。如果仿真时不考虑热效应仿真出来的饱和电流会偏高尤其是在高漏压条件下。Atlas 提供了GIGA和HEAT等热模型可以耦合电学和热学仿真。我一般会在以下情况下开启热模型一是仿真高功率器件漏压超过 20V二是仿真连续波工作模式三是需要评估器件的热阻和温度分布。如果只是仿真小信号特性或者低功率条件下的直流特性可以暂时不开启热模型。开启热模型后需要设置材料的热导率、热容等参数。GaN 的热导率在 1.3 到 1.5 W/cm·K 之间AlGaN 的热导率更低在 0.3 到 0.5 W/cm·K 之间。衬底的热导率取决于材料SiC 衬底在 3.5 到 4.5 W/cm·K 之间蓝宝石衬底在 0.3 到 0.4 W/cm·K 之间。这些参数需要根据实际材料进行设置。4. 仿真调试当结果不对时怎么排查4.1 转移特性曲线异常的第一轮排查转移特性曲线是 GaN HEMT 仿真中最基本的输出也是最能反映问题的。如果转移特性曲线不对通常有以下几种表现第一种是没有开启电压也就是栅压从负到正扫描时漏电流一直很小没有明显的开启点。这种情况通常是 2DEG 没有形成或者栅极肖特基势垒太高。排查方法是先看异质结界面的电势分布确认 2DEG 是否存在。如果 2DEG 浓度为零检查极化模型是否开启Al 组分和势垒层厚度是否设置正确。第二种是阈值电压偏负也就是器件在栅压为零时就已经导通了。这种情况通常是 2DEG 浓度太高或者势垒层太厚。排查方法是检查 Al 组分和势垒层厚度适当降低 Al 组分或者减薄势垒层。另外栅极的肖特基势垒高度也会影响阈值电压如果势垒高度设得太低阈值电压会偏负。第三种是跨导偏低也就是转移特性曲线的斜率不够大。这种情况通常是迁移率设得太低或者源漏接触电阻太大。排查方法是检查迁移率模型和参数以及接触电阻的设置。4.2 输出特性曲线的常见问题输出特性曲线反映的是器件的饱和电流和输出电阻。如果输出特性曲线不对通常有以下几种表现第一种是饱和电流偏低。这种情况通常是 2DEG 浓度偏低或者迁移率偏低或者源漏接触电阻太大。排查方法是先确认 2DEG 浓度是否合理然后检查迁移率参数和接触电阻。第二种是输出电阻偏低也就是在饱和区漏电流随漏压增加而明显增大。这种情况通常是沟道长度调制效应太强或者缓冲层漏电太大。排查方法是检查沟道长度和缓冲层的掺杂浓度。如果缓冲层掺杂浓度太高缓冲层漏电会增加导致输出电阻降低。第三种是电流崩塌效应不明显。如果你开启了陷阱模型但仿真出来的输出特性曲线没有明显的电流崩塌可能是陷阱参数设置不对。排查方法是检查陷阱的能级、浓度和俘获截面适当增加陷阱浓度或者调整能级位置。4.3 收敛性问题GaN 仿真中最让人头疼的事GaN HEMT 仿真中最常见的问题就是不收敛。尤其是开启极化模型和陷阱模型后收敛难度会大幅增加。我总结了几条经验第一逐步开启模型。不要一上来就把所有模型都打开先跑一个最简单的仿真确认基本结构没问题然后逐步添加迁移率模型、极化模型、陷阱模型。每添加一个模型都跑一次仿真确认收敛后再添加下一个。第二调整数值方法。Atlas 提供了多种数值方法比如METHOD语句中的GUMMEL、NEWTON、BLOCK等。对于 GaN 器件我一般用NEWTON方法配合CLIMIT和DVMAX等参数来控制收敛。如果还是不收敛可以尝试降低CLIMIT的值或者增加迭代次数。第三检查网格质量。网格太粗或者太细都可能导致不收敛。太粗会导致电场和电荷分布失真太细会导致矩阵太大、条件数变差。我一般会在异质结界面处用较细的网格在体材料区域用较粗的网格过渡要平滑。第四检查材料参数。如果材料参数设置不合理比如禁带宽度、电子亲和能、介电常数等也会导致不收敛。我一般会对照文献中的材料参数表逐一核对。5. 从仿真到实验如何验证结果的可靠性5.1 与文献数据对比的正确姿势仿真做完之后最重要的一步是验证结果的可靠性。最直接的方法是和文献中的实验数据对比。但这里有一个坑不同文献中的器件结构、材料质量、工艺条件都不一样直接对比可能会得出错误的结论。我的做法是先找一篇器件结构和你仿真结构最接近的文献对比转移特性曲线和输出特性曲线。如果趋势一致但数值有偏差可以通过调整材料参数或者模型参数来拟合。如果趋势都不一致那说明仿真设置有问题需要重新检查。对比的时候要注意文献中的实验数据通常是在特定条件下测得的比如脉冲 I-V 和直流 I-V 的结果就不一样。如果你的仿真是直流仿真就要和文献中的直流数据对比不要和脉冲数据对比。5.2 关键参数的敏感性分析在验证仿真结果时我一般会做一轮敏感性分析看看哪些参数对结果影响最大。具体做法是固定其他参数只改变一个参数观察仿真结果的变化。我实测下来对 GaN HEMT 仿真结果影响最大的参数依次是Al 组分、势垒层厚度、极化电荷密度、低场迁移率、源漏接触电阻。其中 Al 组分和势垒层厚度的影响最大因为它们直接决定了 2DEG 浓度。极化电荷密度的影响也很大但通常和 Al 组分、势垒层厚度耦合在一起。敏感性分析的好处是当你发现仿真结果和实验数据有偏差时可以快速定位到最可能的原因。比如如果饱和电流偏低而阈值电压基本正常那可能是迁移率或者接触电阻的问题如果阈值电压偏负那可能是 Al 组分或者势垒层厚度的问题。5.3 仿真中的常见误区与纠正最后说几个我踩过的误区。第一个误区是过度追求参数精确。GaN 材料的很多参数比如极化系数、陷阱参数本身就有很大的不确定性文献中的值也各不相同。过度追求参数精确反而会陷入调参的泥潭。我的建议是先保证趋势正确再逐步优化参数。第二个误区是忽略自热效应。很多人在仿真 GaN HEMT 时只关注电学特性忽略了自热效应。但在高功率条件下自热效应会导致迁移率下降、饱和电流降低仿真结果和实验数据偏差很大。如果你的器件工作在高功率条件下一定要开启热模型。第三个误区是不重视网格收敛性检查。网格太粗会导致结果失真网格太细会导致计算时间过长。我一般会做一轮网格收敛性检查逐步加密网格直到结果变化小于 5%。这样既能保证精度又能控制计算时间。第四个误区是盲目相信自动极化模型。Atlas 的自动极化模型虽然方便但内置的极化系数可能和最新文献有偏差。我一般会先用自动模型跑一遍然后根据实验数据手动调整极化电荷密度。如果偏差在 20% 以内可以通过调整 Al 组分来补偿如果偏差很大就需要手动设置极化电荷了。6. 一些提高仿真效率的实用技巧6.1 利用 Atlas 的日志和输出文件定位问题Atlas 在仿真过程中会输出大量的日志信息包括每一步的收敛情况、错误信息、警告信息等。很多人只看最后的仿真结果忽略了日志中的信息。其实日志中的警告信息往往能帮你快速定位问题。比如如果日志中出现 Warning: Convergence problem at bias step...说明在某个偏压点不收敛。你可以查看这个偏压点附近的电势分布和载流子浓度找出不收敛的原因。如果日志中出现 Warning: Negative carrier concentration...说明载流子浓度出现了负值通常是网格或者模型设置有问题。我一般会在仿真脚本中加入OUTPUT语句把关键的电势、载流子浓度、电场等参数输出到文件中方便后续分析。另外Atlas 还支持PROBE语句可以在特定位置监测电势、载流子浓度等参数的变化。6.2 参数扫描的自动化脚本GaN HEMT 仿真通常需要做大量的参数扫描比如扫描 Al 组分、势垒层厚度、栅压等。如果手动一个一个跑效率太低了。我一般会写一个 Python 脚本自动生成 Atlas 输入文件、调用 Atlas 仿真、提取结果并绘图。Python 脚本的核心是字符串替换和文件操作。你可以先写一个 Atlas 输入文件的模板然后用 Python 替换其中的参数生成新的输入文件。仿真完成后用 Python 读取 Atlas 的输出文件提取关键参数然后用 Matplotlib 绘图。这样一套流程下来跑几十个甚至上百个仿真点都不在话下。我实测下来用 Python 脚本自动化后参数扫描的效率提高了至少 5 倍。6.3 计算资源的合理分配GaN HEMT 仿真对计算资源的要求比较高尤其是开启热模型和陷阱模型后。如果计算资源有限可以通过以下方式优化第一减小仿真区域。如果只关注沟道附近的特性可以适当减小衬底和缓冲层的厚度节省计算时间。第二使用非均匀网格。在关键区域用细网格在非关键区域用粗网格可以在保证精度的同时减少网格数量。第三分步仿真。先跑一个简单的直流仿真确认基本结构没问题然后再跑复杂的瞬态仿真或者热仿真。这样可以在早期发现结构问题避免在复杂仿真中浪费时间。第四利用并行计算。Atlas 支持多线程并行计算可以在METHOD语句中设置THREADS参数。我一般用 4 到 8 个线程计算速度能提高 2 到 3 倍。6.4 材料参数的整理与复用GaN 材料的参数很多而且不同文献中的值差异很大。我一般会建一个材料参数库把常用的参数整理成表格包括 GaN、AlGaN、SiC、蓝宝石等材料的禁带宽度、电子亲和能、介电常数、迁移率、饱和速度、热导率等。这样在搭建新器件结构时可以直接从参数库中调用不用每次都去查文献。另外我还会在参数库中记录每个参数的来源和适用范围方便后续追溯和调整。材料参数库的另一个好处是当你发现仿真结果和实验数据有偏差时可以快速检查材料参数是否合理。比如如果仿真出来的阈值电压偏负可以检查 AlGaN 的电子亲和能是否设置正确如果饱和电流偏低可以检查 GaN 的迁移率是否设置正确。7. 从单器件到电路GaN HEMT 仿真的扩展方向7.1 从器件仿真到电路仿真的过渡单器件仿真跑通之后下一步通常是做电路级仿真比如 GaN HEMT 的开关特性、射频特性等。Atlas 本身是器件级仿真工具但可以和 SPICE 模型结合实现电路级仿真。具体做法是先用 Atlas 仿真出器件的 I-V 特性然后提取 SPICE 模型参数比如阈值电压、跨导、输出电阻、寄生电容等。然后用这些参数在 SPICE 中搭建电路模型仿真开关特性或者射频特性。这里有一个坑Atlas 仿真出来的 I-V 特性和实际器件的 I-V 特性可能有偏差尤其是高频特性。因为 Atlas 是准静态仿真不考虑高频下的寄生效应。如果要做射频仿真需要在 Atlas 中开启高频仿真模块或者用专门的射频仿真工具。7.2 热-电耦合仿真的实际应用GaN HEMT 的功率密度很高自热效应是限制器件性能的重要因素。热-电耦合仿真可以帮助你评估器件的热阻、温度分布、热失效点等。在 Atlas 中做热-电耦合仿真需要开启HEAT模型并设置材料的热导率、热容、热边界条件等。热边界条件通常设置为衬底底部恒温比如 300K。仿真完成后可以查看器件的温度分布找出热点位置。我实测下来GaN HEMT 的热点通常在栅极靠近漏极一侧的沟道处因为这里的电场最强、功率密度最高。如果热点温度超过材料的承受范围就需要优化器件结构或者散热设计。7.3 可靠性仿真陷阱效应与退化机制GaN HEMT 的可靠性问题比如电流崩塌、阈值电压漂移等都和陷阱效应有关。通过仿真陷阱效应可以帮助你理解器件的退化机制优化器件设计。在 Atlas 中仿真陷阱效应需要定义陷阱的能级、浓度、俘获截面等参数。这些参数通常需要根据实验数据进行拟合。我一般会先用一个简单的单能级陷阱模型然后根据脉冲 I-V 或者瞬态仿真的结果进行调整。陷阱效应的仿真结果通常表现为在脉冲条件下由于陷阱来不及充放电器件的导通电阻较小、饱和电流较大在直流条件下陷阱充分充放电器件的导通电阻较大、饱和电流较小。这个趋势和实验数据基本一致。8. 个人经验总结与后续探索方向折腾了这么久我最大的体会是GaN HEMT 仿真不是一个设好参数就能跑出正确结果的过程而是一个不断迭代、不断验证的过程。你需要在材料参数、模型选择、网格划分、数值方法之间反复权衡才能得到可靠的结果。另外仿真永远只是工具不能替代实验。仿真可以帮助你理解物理机制、优化器件结构、预测器件性能但最终的验证还是要靠实验数据。我一般会把仿真和实验结合起来用仿真指导实验用实验验证仿真这样才能真正发挥仿真的价值。后续我打算继续探索几个方向一是 GaN HEMT 的射频特性仿真尤其是高频下的寄生效应和陷阱效应二是 GaN 功率器件的可靠性仿真包括电流崩塌、阈值电压漂移等三是 GaN 器件的热管理仿真尤其是高功率密度下的散热设计。如果你也在做类似的方向欢迎一起交流。