CN114217200B - 一种n极性iii族氮化物半导体器件的性能预测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种N极性III族氮化物半导体器件的性能预测方法及装置，其中的方法包括如下步骤：获取待预测器件各层的厚度和各层的组分；根据各层的厚度和各层的组分确定待预测器件中的异质结界面极化电荷；基于待预测器件的界面和内部电场特性确定待预测器件的静态性能与异质界面极化电荷之间的协同对应关系；获取待预测器件中各沟道顶部界面的势垒高度；根据异质结界面极化电荷、各沟道顶部界面的势垒高度、各层的组分和厚度以及协同对应关系确定待预测器件的静态性能。本发明中的方法，能够实现对N极性(III族氮化物)HEMTs器件结构的2DEG浓度和势垒高度进行计算，并预测2DHG的产生，有助于理解N极性多沟道HEMTs器件原理并指导器件制作。
Description
技术领域
本发明涉及半导体性质测量技术领域，具体涉及一种N极性III族氮化物半导体器件的性能预测方法及装置。
背景技术
第三代半导体材料即宽禁带(Wide Band Gap Semiconductor，简称WBGS)半导体材料是继第一代硅、锗和第二代砷化镓、磷化铟等以后发展起来的新兴材料。第三代半导体材料中，III-N材料因其具有的强极化效应和宽禁带宽度，得到了广泛的研究。基于III-N材料的高电子迁移率晶体管具有高浓度高迁移率的二维电子气和高击穿电压，成为制作大功率和射频器件的优秀选择。同时，多沟道结构HEMTs比单沟道具有更强的电流承载能力，更高的接入电阻和跨导线性度和更少的电流崩塌。
大多数关于氮化镓的研究集中在Ga极性，因为Ga极性更容易通过自然生长得到。在N极性氮化镓在不同衬底上外延的方法被报道之后，关于N极性HEMTs器件的研究也获得了很好的器件特性，得益于N极性HEMTs具有较小的欧姆接触电阻，自建背势垒，可灵活减小栅到沟道的距离，有很好的短沟道效应抑制能力等优点。
但由于AlGaN背势垒后存在厚的GaN缓冲层，在无故意掺杂的N极性结构中背势垒和缓冲层界面将产生2DHG。对于HEMTs器件，2DHG的迁移率在室温下只有约16cm2/(V·s)，且它的存在会屏蔽2DEG沟道，但在电子-空穴对凝聚效应及运用这个效应制备的假自旋场效应晶体管(BiSFET),GaN基变容二极管等运用场景下，2DHG也可以发挥重要作用。另外，无2DEG共存的单独的2DHG沟道也能运用于P沟道GaN基HEMTs。
同时，也有使用数值器件仿真或解析模型的多沟道HEMTs器件模型，和Ga极性2DHG的计算模型被研究。最近，一种完全由物理参数组成的Ga极性多沟道模型被提出，它能够独立于数值模拟对异质结构的能带和2DEG进行计算，但是，对于N面多沟道结构而言，还没有由物理参数组成的解析模型能在同时考虑到多沟道和二维空穴气的情况下对其进行描述。N极性和多沟道异质结构的复杂情况将给N极性HEMTs的设计和制作带来很多困难。
因此，如何预测N极性高电子迁移率晶体管(HEMTs)的能带和载流子浓度等静态性能，以指导N极性多沟道HEMTs设计成为亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种N极性III族氮化物半导体器件的性能预测方法和装置，以实现对N极性高电子迁移率晶体管(HEMTs)的能带和载流子浓度等静态性能的预测。
根据第一方面，本发明实施例提供了一种N极性III族氮化物半导体器件的性能预测方法，包括：
获取待预测器件各层的厚度和各层的组分；
根据各层的厚度和各层的组分确定待预测器件中的异质结界面极化电荷；
基于待预测器件的界面和内部电场特性确定待预测器件的静态性能与异质界面极化电荷之间的协同对应关系；
获取待预测器件中各沟道顶部界面的势垒高度；
根据异质结界面极化电荷、各沟道顶部界面的势垒高度、各层的厚度、各层的组分及协同对应关系确定待预测器件的静态性能。
进一步地，基于待预测器件的界面和内部电场特性确定待预测器件的静态性能与异质界面极化电荷之间的协同对应关系的步骤，包括：
基于各界面电位移矢量连续性，根据所述异质结界面极化电荷和异质结界面两侧电场的不连续，确定待预测器件中异质结界面两侧的电场和异质结界面极化电荷之间的第一对应关系；
基于各层电场和载流子浓度服从的泊松方程，以各层两侧的电场为边界条件对各层积分，找到待预测器件异质结界面两侧的电场和各层载流子浓度之间的第二对应关系以及各层载流子浓度和能带结构之间的第三对应关系。
进一步地，待预测器件为单沟道器件，获取待预测器件中各沟道顶部界面的势垒高度的步骤，包括：
获取待预测器件的表面肖特基势垒。
进一步地，待预测器件为多沟道器件，获取待预测器件中各沟道顶部界面的势垒高度的步骤，包括：
获取待预测器件的表面肖特基势垒；表面肖特基势垒即为待预测器件顶部沟道顶部界面的势垒高度；
获取待预测器件除顶部沟道外沟道顶部界面的预设势垒高度；
根据表面肖特基势垒、预设势垒高度和协同对应关系确定待预测器件中异质结界面两侧的预设电场、各层预设载流子浓度和预设能带结构；
基于表面电位移矢量的连续性和整个异质结构的电中性，根据预设电场、预设载流子浓度和预设能带结构分别计算待预测器件除表面极化电荷以外的表面电荷，分别得到第一电荷值和第二电荷值；
调整预设势垒高度，直至第一电荷值等于第二电荷值，则此时的预设势垒高度即为待预测器件除顶部沟道外沟道顶部界面的最终势垒高度。
进一步地，待预测器件为三沟道及更多沟道器件，其特征在于，获取待预测器件除顶部沟道外沟道顶部界面的预设势垒高度的步骤，包括：
获取第i(i＝N，N-1，N-2…，3，2，其中N为总沟道数)层沟道顶部界面势垒高度的第一预设值，并将表面肖特基势垒高度假设作为第i-1层沟道顶部界面的势垒高度；
根据第一预设值和协同对应关系确定待预测器件中异质结界面两侧的第一电场、各层第一载流子浓度和第一能带结构；
根据待预测器件中各中间势垒界面的电位移矢量连续性，界面附近层电场和其包含的载流子服从泊松方程的关系，并根据各层的厚度、各层的组分以及除第i层沟道外沟道的的势垒高度，确定第一预设值、第一电场以及第一载流子浓度应满足的第四对应关系；
调整第一预设值直至第一电场和第一载流子浓度满足第四对应关系，并将此时的第一预设值作为第i层沟道的初始势垒高度；
重复上述步骤，直至得到第2层-第N层沟道的初始势垒高度。
进一步地，待预测器为包含势垒层掺杂和缓冲层顶部掺杂的器件，基于待预测器件的界面和内部电场特性确定待预测器件的静态性能与异质界面极化电荷之间的协同对应关系的步骤，包括：
获取势垒层掺杂和缓冲层顶部掺杂参数，掺杂参数包括的杂质类型，掺杂区域以及掺杂浓度；
基于各界面电位移矢量连续性，根据异质结界面极化电荷和异质结界面两侧电场的不连续及掺杂参数，确定待预测器件中异质结界面两侧的电场和异质结界面极化电荷之间的第五对应关系；
基于各层电场和载流子浓度服从的泊松方程，以各层两侧的电场为边界条件对各层积分，找到待预测器件异质结界面两侧的电场和各层载流子浓度积分值之间的第六对应关系以及各层载流子浓度积分值和能带结构之间的第七对应关系。
根据第二方面，本发明实施例提供了一种N极性III族氮化物半导体器件的性能预测装置，包括：
第一获取模块，用于获取待预测器件各层的厚度和各层的组分；
第一确定模块，用于根据各层的厚度和各层的组分确定待预测器件中的异质结界面极化电荷；
第二确定模块，用于基于待预测器件的界面和内部电场特性确定待预测器件的静态性能与异质界面极化电荷之间的协同对应关系；
第二获取模块，用于获取待预测器件中各沟道顶部界面的势垒高度；
第三确定模块，根据异质结界面极化电荷、各沟道顶部界面的势垒高度、各层的厚度、各层的组分及协同对应关系确定待预测器件的静态性能。
进一步地，待预测器为包含势垒层掺杂和缓冲层顶部掺杂的器件，第二确定模块包括：
第一获取子模块，用于获取势垒层掺杂和缓冲层顶部掺杂参数，掺杂参数包括的杂质类型，掺杂区域以及掺杂浓度；
第一确定子模块，用于基于各界面电位移矢量连续性，根据异质结界面极化电荷和异质结界面两侧电场的不连续及掺杂参数，确定待预测器件中异质结界面两侧的电场和异质结界面极化电荷之间的第五对应关系；
第二确定子模块，用于基于各层电场和载流子浓度服从的泊松方程，以各层两侧的电场为边界条件对各层积分，找到待预测器件异质结界面两侧的电场和各层载流子浓度积分值之间的第六对应关系以及各层载流子浓度积分值和能带结构之间的第七对应关系。
根据第三方面，本发明实施例提供了一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行第一方面中任一所述的动态抓拍帧区分方法。
根据第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现第一方面中任一所述动态抓拍帧区分方法的步骤。
本发明提供的技术方案，具有如下优点：
1、本发明提供的N极性III族氮化物半导体器件的性能预测方法，通过获取待预测器件各层的厚度和各层的组分后确定待预测器件中的异质结界面极化电荷，为N极性III族氮化物半导体器件的性能预测提供基础，再通过基于待预测器件的界面和内部电场特性确定待预测器件的静态性能与异质界面极化电荷之间的协同对应关系，再获取待预测器件中各沟道顶部界面的势垒高度，最终实现根据异质结界面极化电荷、各沟道顶部界面的势垒高度、各层的组分和厚度以及协同对应关系确定待预测器件的静态性能，也即实现对N极性(III族氮化物)HEMTs器件结构的2DEG浓度和势垒高度进行计算，并预测2DHG的产生，有助于理解N极性多沟道HEMTs器件原理并指导器件制作。
2、本发明提供的N极性III族氮化物半导体器件的性能预测方法，通过直接获取待预测器件的表面肖特基势垒(也即顶部沟道顶部界面的势垒高度)，对中间沟道(除顶部沟道外沟道)顶部界面的势垒高度的预设和获取，分别基于待测器件表面电位移矢量的连续性和整个异质结构的电中性，对引入变量——除表面极化电荷以外的表面电荷的分别计算和平衡，得到中间沟道顶部界面的势垒势垒高度，使该方法可以应用于多沟道N极性III族氮化物半导体器件的性能预测，扩大了该方法的使用范围，使该方法可以对多沟道N极性(III族氮化物)HEMTs器件结构的2DEG浓度和势垒高度进行计算，并预测2DHG的产生，有助于理解N极性多沟道HEMTs器件原理并指导器件制作。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1示出了本发明实施例中一种N极性III族氮化物半导体器件的性能预测方法的流程图；
图2示出了本发明实施例中一种N极性III族氮化物半导体器件的性能预测方法的另一种流程图；
图3示出了N极性AlGaN/GaN异质结构的通用能带形状图；
图4示出了本发明实施例中一种N极性III族氮化物半导体器件的性能预测方法的另一种流程图；
图5示出了(a)两沟道N极性AlGaN/GaN异质结构，(b)三沟道N极性AlGaN/GaN异质结构和(c)五沟道N极性AlGaN/GaN异质结构的能带、载流子浓度示图；
图6示出了本发明实施例中一种N极性III族氮化物半导体器件的性能预测方法的另一种流程图；
图7示出了图1中步骤S103的一种具体流程图；
图8示出了本发明实施例中提供的一种N极性III族氮化物半导体器件的性能预测装置的原理框图；
图9示出了本发明实施例提供的一种电子设备结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
图1示出了本发明实施例中一种N极性III族氮化物半导体器件的性能预测方法的流程图，如图1所示，该方法包括如下如下步骤：
S101：获取待预测器件各层的厚度和各层的组分。本申请中，待预测器件可以为单沟道器件也可以为多沟道器件，当其为多沟道器件时，其可以为双沟道器件，也可以为三沟道及更多沟道器件；此外，本申请中的待预测器件可以为掺杂器件，也可以为非掺杂器件。
本申请中，待预测器件各层的厚度和各层的组分，可以根据生长条件直接获取，也可以通过对待预测器件进行测试得到。
S102：根据各层的厚度和各层的组分确定待预测器件中的异质结界面极化电荷。
S103：基于待预测器件的界面和内部电场特性确定待预测器件的静态性能与异质界面极化电荷之间的协同对应关系。
具体地，此处的对应关系包括待预测器件中异质结界面两侧的电场和异质结界面极化电荷之间的第一对应关系、待预测器件异质结界面两侧的电场和各层载流子浓度之间的第二对应关系以及各层载流子浓度和能带结构之间的第三对应关系，具体地，第一对应关系为基于各界面电位移矢量连续性，根据表面肖特基势垒以及异质结界面极化电荷得到，第二对应关系和第三对应关系为基于各层电场和载流子浓度服从的泊松方程，以各层两侧的电场为边界条件对各层积分得到。
本申请中，待预测器件的静态性能可以包括其中的载流子浓度，具体包括二维电子气(2DEG)浓度和二维空穴气(2DHG)浓度，还可以包括能带结构。
S104：获取待预测器件中各沟道顶部界面的势垒高度。
本申请中，当待预测器件为单沟道器件时，其中仅包括一层沟道，且该沟道本身即为顶部沟道，其沟道顶部势垒高度可以栅接触的肖特基势垒高度给出，或者通过开尔文探针法测得。
S105：根据异质结界面极化电荷、各沟道顶部界面的势垒高度、各层的厚度、各层的组分以及协同对应关系确定待预测器件的静态性能。
本申请中的N极性III族氮化物半导体器件的性能预测方法，能够实现对待预测器件的静态性能的预测，也即实现对N极性(III族氮化物)HEMTs器件结构的2DEG浓度和势垒高度进行计算，并预测2DHG的产生，有助于理解N极性多沟道HEMTs器件原理并指导器件制作。
作为本发明实施例的一种可选实施方式，以待预测器件为单沟道器件，且未有意掺杂为例，如图2所示，该实施方式中的N极性III族氮化物半导体器件的性能预测方法包括如下步骤：
S201：获取待预测器件各层的厚度和各层的组分。
S202：根据各层的厚度和各层的组分确定待预测器件中的异质结界面极化电荷。
S203：基于各界面电位移矢量连续性，根据异质结界面极化电荷和异质结界面两侧电场的不连续，确定待预测器件中异质结界面两侧的电场和异质结界面极化电荷之间的第一对应关系。
S204：基于各层电场和载流子浓度服从的泊松方程，以各层两侧的电场为边界条件对各层积分，找到待预测器件异质结界面两侧的电场和各层载流子浓度之间的第二对应关系以及各层载流子浓度和能带结构之间的第三对应关系。
S205：获取待预测器件的表面肖特基势垒。
S206：根据异质结界面极化电荷、表面肖特基势垒、各层的厚度、各层的组分、第一对应关系、第二对应关系以及第三对应关系确定待预测器件的静态性能。
下面待预测器件为N极性GaN HEMTs单沟道器件为例，对此实施方式下的方法的具体内容进行详细描述：
N极性GaN HEMTs器件中一个GaN/AlGaN界面的能带结构图如图3所示，根据沟道在整个异质结构中所处位置的不同，该界面左右边界的能带的形状可以被分为Ec，Ec’，Ec”。对于接下来要讨论的单沟道情况，能带形状可以用Ec来表示。
N极性GaN材料和Ga极性有着相反的自发极化和压电极化方向，因此在AlGaN/GaN界面具有负的极化电荷，GaN/AlGaN界面具有正的极化电荷。根据异质结界面电位移矢量连续性的要求，沟道和其背势垒层界面应满足：
其中，∈0是真空介电常数，和/>分别是沟道层底部电场和背势垒层顶部电场。∈ch，/>和/>是沟道层的相对介电常数，压电极化和自发极化，∈bb，/>和/>是背势垒层的对应参数。
定义界面处的极化电荷：
则
沟道电场Fch服从泊松方程
其中，ns为因界面极化效应在沟道层产生的2DEG的面密度，以沟道顶部和底部电场和/>为边界条件积分，得到：
可求得对整个沟道积分的2DEG面密度：
并且，背势垒层顶部和沟道层底部的电场可以通过能带结构表示为
其中ΔEC是沟道层和背势垒层的导带偏移量，ΔEF是以费米能级为参考的2DEG量子阱的深度，dbb，∈bb分别是背势垒层的势垒高度，厚度和相对介电常数，Nd是背势垒层施主杂质有意掺杂浓度，di是掺杂层和沟道层的距离。/>是单沟道情况下GaN沟道层表面肖特基势垒高度，dch和Z0分别是沟道层厚度和二维电子气分布的质心距离背势垒层的距离。
根据三角阱近似，可以建立和ns和ΔEF，地面能级E0的关系：
其中是约化普朗克常数，m*是电子有效质量。如果2DEG沿深度的空间方向延伸可以用第一子带的波函数Ψ(z)描述，并用Fang-Howard变分波函数近似，那么2DEG分布的质心距离背势垒层的距离Z0可以表示为：
其中b是变分参数：
基于顶部沟道肖特基势垒已经获取，为了计算ns，只有唯一的未知量/>需要被求解。由于AlGaN背势垒后有厚GaN buffer层存在，/>会被极大的抬高，即使背势垒使用较小的Al组分和厚度，若无有意掺杂，也会在AlGaN/GaN buffer界面处产生2DHG。2DHG量子阱出现的条件是/>其中Egch是GaN的禁带宽度。因此，2DHG的势阱深度可以表示为：
其中，ΔE′F是以费米能级为参考的价带2DHG量子阱的深度。为找到2DHG和能带之间的关系，使用和电子类似的近似方式，给出：
其中，ps是2DHG的面密度，E0′是空穴对于价带的地面能级，b′是空穴变分波函数质心，m*′是空穴有效质量。为了简单起见，我们仅认为m*′等于有效状态密度空穴质量，而不考虑重空穴，轻空穴等情况。这样，每一个取值将对应一个固定的ps。根据GaN缓冲层层电场的泊松方程，且缓冲层层底部的电场/>近似等于0，可以得到：
其中，∈ch′是缓冲层的相对介电常数，是缓冲层顶部电场，显然根据背势垒层和缓冲层之间的电位移矢量平衡/>和缓冲层的泊松方程可以找到ps和/>之间的关系：
其中，是背势垒层和缓冲层界面的极化电荷。通过联立等式(6)和等式(18)，就可以求得N极性多沟道异质结构情况下给定/>对应的ns，ps，以及ps对应的/>大小。从而通过求得的能带关键点数值绘制能带结构图。
作为本发明实施例的另一种实施方式，以待预测器件为双沟道器件，且未有意掺杂为例，如图4所示，该实施方式中的N极性III族氮化物半导体器件的性能预测方法包括如下步骤：
S401：获取待预测器件各层的厚度和各层的组分。
S402：根据各层的厚度和各层的组分确定待预测器件中的异质结界面极化电荷。
S403：基于各界面电位移矢量连续性，根据所述异质结界面极化电荷和异质结界面两侧电场的不连续，确定待预测器件中异质结界面两侧的电场和异质结界面极化电荷之间的第一对应关系。
S404：基于各层电场和载流子浓度服从的泊松方程，以各层两侧的电场为边界条件对各层积分，找到待预测器件异质结界面两侧的电场和各层载流子浓度之间的第二对应关系以及各层载流子浓度和能带结构之间的第三对应关系。
S405：获取待预测器件的表面肖特基势垒。本申请中，该表面肖特基势垒为待预测器件顶部沟道顶部界面的势垒高度
S406：获取待预测器件除顶部沟道外沟道顶部界面的预设势垒高度。本申请中，仅有一层除顶部沟道外的沟道。
S407：根据所述表面肖特基势垒、预设势垒高度和协同对应关系确定待预测器件中异质结界面两侧的预设电场、各层预设载流子浓度和预设能带结构。
S408：基于表面电位移矢量的连续性和整个异质结构的电中性，根据预设电场、预设载流子浓度和预设能带结构，分别计算待预测器件除表面极化电荷以外的表面电荷，分别得到第一电荷值和第二电荷值。
具体地，基于表面电位移矢量的连续性计算得到的除表面极化电荷以外的表面电荷为第一电荷值，基于整个异质结构的电中性计算得到的除表面极化电荷以外的表面电荷为第二电荷值。
S409：调整预设势垒高度，直至第一电荷值等于第二电荷值，则此时的初始势垒高度即为待预测器件除顶部沟道外沟道顶部界面的最终势垒高度。也即，此时获取到了待预测器件(双沟道器件)中各沟道顶部界面的势垒高度。
S410：根据异质结界面极化电荷、表面肖特基势垒、各层的厚度、各层的组分、第一对应关系、第二对应关系以及第三对应关系确定待预测器件的静态性能。
下面以待预测器件为N极性GaN HEMTs双沟道器件为例，对此实施方式下的步骤S405-步骤S409的具体内容进行详细描述：
对于GaN/AlGaN依次排列的多沟道结构，最表面的GaN/AlGaN/GaN结构中AlGaN背势垒后底部GaN沟道不再能被视为平带，右侧能带变为Ec”，最底部的AlGaN/GaN/AlGaN/GaN沟道左侧能带因为有AlGaN前势垒的存在，变为Ec’，而其他位于中间的AlGaN/GaN/AlGaN沟道，左右侧能带都改变为Ec’和E”。这样在多沟道的计算中就引入了这样新的未知量，且随着沟道数量的增加，未知的中间层势垒高度/>数量也会增加。在多沟道异质结构中，只有顶部沟道的/>可以作为栅接触的肖特基势垒高度直接获取，或者通过开尔文探针法测得。为求解内部沟道的/>就需要建立更多界面处电荷和电场之间的关系。
对于未知的中间层势垒左右两侧的电场服从泊松方程，有/>和/>其中/>是2DEG量子阱左侧的电场，在/>2DHG不存在的情况下/> 这样，根据界面处的电位移矢量平衡，就可以建立起第i(i＝2，3，…，N，其中N为总沟道数)和第i+1层沟道间的关系。
其中，等式(19)对应存在2DHG的情况，等式(20)对应不存在2DHG时的情况。其中/>这样当/>左右沟道的结构确定时，/>就可以被直接求出。
此外，除表面极化电荷以外的表面电荷(σs)将作为另一个变量引入。根据表面电位移矢量的连续性和整个异质结构的电中性，可以给出
一般情况下，表面处的电场的边界条件为0以实现平坦带，表面的总电荷由由表面电位移矢量连续性导出的表面电荷σs,ed和表面GaN的极化电荷组成，并共同造成了表面电场和能带的不连续：
其中，σs,en时通过半导体材料电中性导出的表面电荷，项为平带边界条件中被忽略的N极性底部氮化镓缓冲层表面极化电荷，在计算半导体材料整体电中性条件时，应该被考虑到。
这个条件也可以用于间接地求解因为当所有/>都达到最终解时，显然需要存在σs＝σs,ed＝σs,en，并且当所有/>的值被确定之后，ns和ps将很容易通过之前给出的电场与载流子的关系求出。
这样，一个用于求解N极性多沟道GaN异质结能带和载流子的模型被完整的建立，接下来将解释求解过程：
对于如图5(a)这样的两沟道结构，能带只有一个中间界面的需要被求解，表面肖特基势垒/>被给定，底部AlGaN/GaN buffer界面势垒/>随着/>的确定一起被确定。求解这样的结构需要使用的主要方程有(6)(18)(21)(22)。这样的求解过程中涉及超越方程，相比于解析解，求数值解更方便。我们通过假设/>就可以使用方程(6)(18)求解两个独立沟道的方式分别求解两个沟道的载流子浓度，并且观察到，随着/>的增加，ns1，ns2，σs,en减小；ps1，σs,ed增加。为满足σs＝σs,ed＝σs,en，逐渐改变/>直到σs,en和σs,ed近似相等，将此时/>和其对应的ns和ps作为最终解。
作为本发明实施例的另一种实施方式，以待预测器件为三沟道或更多沟道器件，且未有意掺杂为例，如图6所示，该实施方式中的N极性III族氮化物半导体器件的性能预测方法包括如下步骤：
S601：获取待预测器件各层的厚度和各层的组分。
S602：根据各层的厚度和各层的组分确定待预测器件中的异质结界面极化电荷。
S603：基于各界面电位移矢量连续性，根据所述异质结界面极化电荷和异质结界面两侧电场的不连续，确定待预测器件中异质结界面两侧的电场和异质结界面极化电荷之间的第一对应关系。
S604：基于各层电场和载流子浓度服从的泊松方程，以各层两侧的电场为边界条件对各层积分，找到待预测器件异质结界面两侧的电场和各层载流子浓度之间的第二对应关系以及各层载流子浓度和能带结构之间的第三对应关系。
S605：获取待预测器件的表面肖特基势垒。该表面肖特基势垒即为待预测器件(三沟道或更多沟道器件)中顶部沟道顶部界面的势垒高度。
S606：获取第i(i＝N，N-1，N-2，…，3，2，其中N为总沟道数)层沟道顶部势垒的第一初始预设值，并将表面肖特基势垒高度假设作为第i-1层沟道的势垒高度。
也即，当待预测器件为三沟道或更多沟道器件时，除顶部沟道外的中间沟道顶部界面的初始势垒高度从第N层沟道(最底层沟道)逐渐向上层开始求解，具体地，当求解待预测器件中第N层沟道顶部界面的初始势垒高度时，将表面肖特基势垒高度假设作为第N-1层沟道顶部界面的势垒高度，也即，此时将具有N层沟道的待预测器件视为双沟道器件进行求解；而当求解第N-1层沟道顶部界面的初始势垒高度时，将表面肖特基势垒高度假设作为第N-2层沟道顶部界面的势垒高度，同时由于前一循环流程中已经得到的第N层沟道顶部界面的初始势垒高度，也即，此时将具有N层沟道的待预测器件视为三沟道器件进行求解；以此类推。
S607：根据第一预设值和协同对应关系确定待预测器件中异质结界面两侧的第一电场、各层第一载流子浓度和第一能带结构。
S608：根据待预测器件中各中间势垒界面的电位移矢量连续性，界面附近层电场和其包含的载流子服从泊松方程的关系，并根据各层的厚度、各层的组分以及除第i层沟道外沟道的的势垒高度，确定第一预设值、第一电场以及第一载流子浓度应满足的第四对应关系。
S609：调整第一预设值直至第一电场和第一载流子浓度满足第四对应关系，并将此时的第一预设值作为第i层沟道的初始势垒高度。
S610：重复上述步骤S606-步骤S609，直至得到第2层-第N层沟道的初始势垒高度。
S611：根据表面肖特基势垒、预设势垒高度和协同对应关系确定待预测器件中异质结界面两侧的预设电场、各层预设载流子浓度和预设能带结构。
S612：基于表面电位移矢量的连续性和整个异质结构的电中性，根据预设电场、预设载流子浓度和预设能带结构，分别计算待预测器件除表面极化电荷以外的表面电荷，分别得到第一电荷值和第二电荷值。
S613：调整预设势垒高度，直至第一电荷值等于第二电荷值，则此时的预设势垒高度即为待预测器件除顶部沟道外沟道顶部界面的最终势垒高度。
也即，此时获取到了待预测器件(双沟道器件)中各沟道顶部界面的势垒高度。
S614：根据异质结界面极化电荷、表面肖特基势垒、各层的厚度、各层的组分、第一对应关系、第二对应关系以及第三对应关系确定待预测器件的静态性能。
下面以待预测器件为N极性GaN HEMTs三沟道器件为例，对此实施方式下的步骤S605-步骤S610的具体内容进行详细描述：
与双沟道的情形类似，对于图5(b)这样的三沟道结构，将有两个未知的需要被求解，此时，从最底部沟道开始求解，为了求解最底部沟道的前势垒/>需要上一个沟道的/>被给定，才能运用和两沟道时相同的方法求解，这种情况在更多沟道时会变得更复杂。因此，为了先简单地求出每个势垒高度的初始解，需要在求解最底部沟道的势垒高度时，假设正在求解的/>左侧的能带为Ec，即认为其前一个势垒/>的值等于已给出的表面势垒高度/>这时，对于各界面独立假设的界面势垒高度，整体的电中性和表面电位矢量的连续性方程(方程(21)(22))将不再适用。需要运用方程(19)(20)建立的与其相邻两沟道之间的关系和方程(6)(18)，求得对于假设的/>它所对应的作为初始解。再将/>带入/>的求解中作为/>并假设/>求得/>的初始解，以此类推，直到所有中间层势垒高度的初始解被求出。这些运用近似条件计算出的初始解和最终解是有偏差的。仍然使用方程(21)(22)计算界面电荷和半导体材料电中性之间的关系。如果σs,ed>σs,en，说明和最终解相比总2DEG面密度偏小，2DHG面密度偏大，/>偏高，这时应降低/>如果σs,ed<σs,en，则需要降低/>直到σs,ed近似地等于σs,en，取得/>的最终解。
此外，在HEMTs器件设计中，为了获得更好的器件特性，需要完全去除2DHG。因为厚GaN buffer的存在，不进行有意掺杂的情况下很难去除最底部AlGaN/GaN buffer界面处的2DHG。针对这种情况，一般通过在AlGaN/GaN缓冲层界面引入的施主杂质Nd’掺杂，平衡该界面处的极化电荷，达到消除2DHG的作用，此时，作为本发明实施例的一种可选实施方式，上述步骤S103还可以具体包括如下步骤：
S701：获取所述势垒层掺杂和缓冲层顶部掺杂参数，所述掺杂参数包括的杂质类型，掺杂区域以及掺杂浓度。
S702：基于各界面电位移矢量连续性，根据异质结界面极化电荷和异质结界面两侧电场的不连续及所述掺杂参数，确定待预测器件中异质结界面两侧的电场和所述异质结界面极化电荷之间的第五对应关系。
S703：基于各层电场和载流子浓度服从的泊松方程，以各层两侧的电场为边界条件对各层积分，找到所述待预测器件异质结界面两侧的电场和各层载流子浓度积分值之间的第六对应关系以及所述各层载流子浓度积分值和能带结构之间的第七对应关系。
具体地，根据存在有意掺杂的GaN buffer层电场的泊松方程：
其中，ns_e是掺杂浓度升高时在buffer层累计的电子对于整个buffer层的积分值。这里仍然近似认为材料底部边界不存在，边界条件
那么，的计算公式变为：/>
这里不考虑界面2DHG，但因为引入了新的变量ns_e，不再能被直接求出。以单沟道情况为例，仅使用(6)(24)不再能求解ns，ns_e和/>三个未知量，对于确定的/>需要使用额外的电中性和表面电位移矢量平衡，即方程(21)(22)。而在多沟道的计算中，/>与其左侧相邻的势垒高度/>一一对应，计算时先通过假设的/>求出每个/>对应的/>再带入整体求解。
实施例二
图8示出了N极性III族氮化物半导体器件的性能预测装置的原理框图，如图8所示，该装置包括：第一获取模块10，第一确定模块20，第二确定模块30，第二获取模块40和第三确定模块50；其中
第一获取模块10用于用于获取待预测器件各层的厚度和各层的组分。
第一确定模块20用于根据各层的厚度和各层的组分确定待预测器件中的异质结界面极化电荷。
第二确定模块30用于基于待预测器件的界面和内部电场特性确定待预测器件的静态性能与异质界面极化电荷之间的协同对应关系。
第二获取模块40用于获取待预测器件中各沟道顶部界面的势垒高度。
第三确定模块50用于根据异质结界面极化电荷、各沟道顶部界面的势垒高度、各层的厚度、各层的组分及协同对应关系确定待预测器件的静态性能。
作为可选的实施方式，若待预测器为包含势垒层掺杂和缓冲层顶部掺杂的器件，上述第二确定模块还可以包括：第一获取子模块，第一确定子模块和第二确定子模块。其中，
第一获取子模块用于获取势垒层掺杂和缓冲层顶部掺杂参数，掺杂参数包括的杂质类型，掺杂区域以及掺杂浓度。
第一确定子模块用于用于基于各界面电位移矢量连续性，根据异质结界面极化电荷和异质结界面两侧电场的不连续及掺杂参数，确定待预测器件中异质结界面两侧的电场和异质结界面极化电荷之间的第五对应关系。
第二确定子模块用于基于各层电场和载流子浓度服从的泊松方程，以各层两侧的电场为边界条件对各层积分，找到待预测器件异质结界面两侧的电场和各层载流子浓度积分值之间的第六对应关系以及各层载流子浓度积分值和能带结构之间的第七对应关系。
上述各个模块的更进一步的功能描述与上述实施例一相同，在此不再赘述。
实施例三
本发明实施例提供了一种电子设备，如图9所示，该电子设备可以包括处理器91和存储器92，其中处理器91和存储器92可以通过总线或者其他方式连接，图9中以通过总线连接为例。
处理器91可以为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)。处理器91还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。
存储器92作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例1中的N极性III族氮化物半导体器件的性能预测方法对应的程序指令/模块。处理器91通过运行存储在存储器92中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行处理器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例中的N极性III族氮化物半导体器件的性能预测方法。
存储器92可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器91所创建的数据等。此外，存储器92可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器92可选包括相对于处理器91远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器91。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
所述一个或者多个模块存储在所述存储器92中，当被所述处理器91执行时，执行如图1-图7所示实施例中的N极性III族氮化物半导体器件的性能预测方法。
上述电子设备具体细节可以对应参阅图1至图7所示的实施例中对应的相关描述和效果进行理解，此处不再赘述。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)、随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(Hard Disk Drive，缩写：HDD)或固态硬盘(Solid-State Drive，SSD)等；所述存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (6)
1.一种N极性III族氮化物半导体器件的性能预测方法，其特征在于，包括：
获取待预测器件各层的厚度和各层的组分；
根据所述各层的厚度和所述各层的组分确定所述待预测器件中的异质结界面极化电荷；
基于所述待预测器件的界面和内部电场特性确定所述待预测器件的静态性能与所述异质结界面极化电荷之间的协同对应关系；
获取所述待预测器件中各沟道顶部界面的势垒高度；
根据所述异质结界面极化电荷、所述各沟道顶部界面的势垒高度、所述各层的厚度、所述各层的组分及所述协同对应关系确定所述待预测器件的静态性能；
所述基于所述待预测器件的界面和内部电场特性确定所述待预测器件的静态性能与所述异质结界面极化电荷之间的协同对应关系的步骤，包括：
基于各界面电位移矢量连续性，根据所述异质结界面极化电荷和异质结界面两侧电场的不连续，确定所述待预测器件中异质结界面两侧的电场和所述异质结界面极化电荷之间的第一对应关系；
基于各层电场和载流子浓度服从的泊松方程，以各层两侧的电场为边界条件对各层积分，找到所述待预测器件异质结界面两侧的电场和各层载流子浓度之间的第二对应关系以及所述各层载流子浓度和能带结构之间的第三对应关系；
所述待预测器件为单沟道器件，所述获取所述待预测器件中各沟道顶部界面的势垒高度的步骤，包括：
获取所述待预测器件的表面肖特基势垒；
所述待预测器件为多沟道器件，所述获取所述待预测器件中各沟道顶部界面的势垒高度的步骤，包括：
获取所述待预测器件的表面肖特基势垒；所述表面肖特基势垒即为所述待预测器件顶部沟道顶部界面的势垒高度；
获取所述待预测器件除顶部沟道外沟道顶部界面的预设势垒高度；
根据所述表面肖特基势垒、所述预设势垒高度和所述协同对应关系确定所述待预测器件中异质结界面两侧的预设电场、各层预设载流子浓度和预设能带结构；
基于表面电位移矢量的连续性和整个异质结构的电中性，根据所述预设电场、所述预设载流子浓度和所述预设能带结构，分别计算所述待预测器件除表面极化电荷以外的表面电荷，分别得到第一电荷值和第二电荷值；基于表面电位移矢量的连续性计算得到的除表面极化电荷以外的表面电荷为第一电荷值，基于整个异质结构的电中性计算得到的除表面极化电荷以外的表面电荷为第二电荷值；
调整所述预设势垒高度，直至所述第一电荷值等于所述第二电荷值，则此时的预设势垒高度即为所述待预测器件除顶部沟道外沟道顶部界面的最终势垒高度；
所述待预测器件为三沟道及更多沟道器件，所述获取所述待预测器件除顶部沟道外沟道顶部界面的预设势垒高度的步骤，包括：
获取第i（i=N，N-1，N-2…，3，2，其中N为总沟道数）层沟道顶部界面势垒高度的第一预设值，并将所述表面肖特基势垒高度假设作为第i-1层沟道顶部界面的势垒高度；
根据所述第一预设值和所述协同对应关系确定所述待预测器件中异质结界面两侧的第一电场、各层第一载流子浓度和第一能带结构；
根据所述待预测器件中各中间势垒界面的电位移矢量连续性，界面附近层电场和其包含的载流子服从泊松方程的关系，并根据所述各层的厚度、所述各层的组分以及除所述第i层沟道外沟道的的势垒高度，确定所述第一预设值、第一电场以及第一载流子浓度应满足的第四对应关系；
调整所述第一预设值直至所述第一电场和所述第一载流子浓度满足所述第四对应关系，并将此时的第一预设值作为所述第i层沟道的初始势垒高度；
重复上述步骤，直至得到第2层-第N层沟道的初始势垒高度。
2.根据权利要求1所述的N极性III族氮化物半导体器件的性能预测方法，其特征在于，所述待预测器为包含势垒层掺杂和缓冲层顶部掺杂的器件，所述基于所述待预测器件的界面和内部电场特性确定所述待预测器件的静态性能与所述异质结界面极化电荷之间的协同对应关系的步骤，包括：
获取所述势垒层掺杂和缓冲层顶部掺杂参数，所述掺杂参数包括的杂质类型，掺杂区域以及掺杂浓度；
基于各界面电位移矢量连续性，根据所述异质结界面极化电荷和异质结界面两侧电场的不连续及所述掺杂参数，确定所述待预测器件中异质结界面两侧的电场和所述异质结界面极化电荷之间的第五对应关系；
基于各层电场和载流子浓度服从的泊松方程，以各层两侧的电场为边界条件对各层积分，找到所述待预测器件异质结界面两侧的电场和各层载流子浓度积分值之间的第六对应关系以及所述各层载流子浓度积分值和能带结构之间的第七对应关系。
3.一种权利要求1或2所述的N极性III族氮化物半导体器件的性能预测方法对应的装置，其特征在于，包括：
第一获取模块，用于获取待预测器件各层的厚度和各层的组分；
第一确定模块，用于根据所述各层的厚度和所述各层的组分确定所述待预测器件中的异质结界面极化电荷；
第二确定模块，用于基于所述待预测器件的界面和内部电场特性确定所述待预测器件的静态性能与所述异质结界面极化电荷之间的协同对应关系；
第二获取模块，用于获取所述待预测器件中各沟道顶部界面的势垒高度；
第三确定模块，用于根据所述异质结界面极化电荷、所述各沟道顶部界面的势垒高度、所述各层的厚度、所述各层的组分及所述协同对应关系确定所述待预测器件的静态性能。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述待预测器为包含势垒层掺杂和缓冲层顶部掺杂的器件，所述第二确定模块包括：
第一获取子模块，用于获取所述势垒层掺杂和缓冲层顶部掺杂参数，所述掺杂参数包括的杂质类型，掺杂区域以及掺杂浓度；
第一确定子模块，用于基于各界面电位移矢量连续性，根据所述异质结界面极化电荷和异质结界面两侧电场的不连续及所述掺杂参数，确定所述待预测器件中异质结界面两侧的电场和所述异质结界面极化电荷之间的第五对应关系；
第二确定子模块，用于基于各层电场和载流子浓度服从的泊松方程，以各层两侧的电场为边界条件对各层积分，找到所述待预测器件异质结界面两侧的电场和各层载流子浓度积分值之间的第六对应关系以及所述各层载流子浓度积分值和能带结构之间的第七对应关系。
5.一种电子设备，其特征在于，包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行上述权利要求1或2中所述的方法。
6.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，该指令被处理器执行时实现上述权利要求1或2中所述方法的步骤。
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