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《西安电子科技大学》 2003年
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4H碳化硅射频功率金属半导体场效应晶体管的模型及工艺研究

杨林安  
【摘要】: 碳化硅(SiC)是近十几年来迅速发展起来的宽禁带半导体材料之一。与广泛应用于微波领域的半导体材料GaAs相比,SiC材料具有宽禁带、高击穿电场、高载流子饱和漂移速率、高热导率、高功率密度等等许多优点,随着SiC材料制造工艺的不断改进和制造成本的下降,在高温、大功率、高频、光电子、抗辐照等领域有广阔的应用前景。在微波功率器件中,4H-SiC金属半导体场效应晶体管(MESFET)更引起了人们的广泛重视,目前其应用主要集中于固态相控阵雷达系统、新一代移动通讯基站、超高频广播电视发射系统等领域。 对4H-SiC MESFET大信号非线性工作机理的研究大约分为两种方法:一种是二维数值分析方法,其理论较为严谨,但由于对SiC特殊性质的认识并不充分,因此模拟结果往往产生较大的偏差,且模型的运算量很大;另一种是实验模型方法,根据实验数据提取参数,模型精度较高,运算简单,但SiC器件的物理性质表现不明显,不适合于器件结构及工作机理的深入分析。因此建立和完善4H-SiC功率MESFET的大信号模型,以利于器件结构和电路的设计,是目前SiC理论研究需要解决的问题。 目前SiC器件制造工艺的研究成果明显多于理论研究成果,但是器件的制造工艺与SiC材料的制备水平紧密相关,而SiC衬底材料制备工艺仍处在发展阶段,因此器件的制造工艺和器件性能受到一定的限制。在国内,SiC器件的基础工艺研究刚刚起步,鉴于工艺条件和实践经验上的限制,在SiC MESFET的制造中仍需要大量的实验研究。 4H-SiC MESFET的大信号非线性模型分析是本文重点工作之一。本文采用MESFET非线性等效电路建模方法,对其中最重要的非线性元件Ids、Cgs、Cgd建立理论模型: (1) 以双曲正切函数tanh(x)来描述4H-SiC MESFET漏源电流Ids(Vgs,Vds)的非线性函数关系,并且从器件内部载流子输运机理的物理特性出发,对模型中的重要参数如临界饱和电流、沟道长度调制系数λ、饱和电压系数α等采用器件理论给出其确定的具有物理意义的解析表示,不同于实验模型中以数据拟合来确定参数的方法,这种Ids解析模型的建立在国内外发表的相关文献中还未有相似的报道。该解析模型有效结合了物理分析模型和实验模型的优点,因而在保证其模型精度的同时又从很大程度上脱离了对测试数据的依赖,其物理概念更为清晰且运算量很小,适合于新材料的器件结构预研和器件机理的深入分析。 (2) 考虑4H-SiC常温下杂质不完全离化和高饱和电子漂移速度的特点,采用载流子速度饱和理论和电荷控制理论对零栅偏的栅源电容Cgs0和漏源电容Cgd0进行 WP=6 理论计算,结合指数函数和双曲正切函数的描述方法,提出了适合4H-SiC MESFET的Cgs、Cgd非线性电容解析模型,改进了Statz和Angelov经验模型在反映器件机理方面的不足及数据拟合时的收敛问题,同时克服了数据差值拟合模型过于淡化器件物理机理的缺点。为了进一步提高模型精度,依据实验数据对理论模型中一些敏感参数进行优化,使之在全域范围内精确反映电容变化规律,并且比较了理论和优化模型的特点。该解析模型避免了数值模型求解大量的偏微方程,适用于器件及电路的设计。 实际的SiC MESFET会产生如大功率下器件升温引起的自加热效应、衬底和隔离层引起的陷阱效应、器件表面态引起的低频偏移效应等现象,这些效应的存在对器件的功率、频率特性产生一定的影响。本文建立了这些效应的分析参数,嵌入到大信号非线性模型中,使模型更精确地反映4H-SiC MESFET的实际工作情况: (1) 虽然具有高热导率的优点,但实验证实大功率4H-SiC MESFET的“自热效应”现象仍较为明显,这对器件I-V特性的理论描述及应用造成影响。本文首次提出了器件衬底底部温度T0为非恒定的模型,即随着漏极偏压增加、沟道与衬底底部温差ΔT的变化使T0从室温(300K)逐渐升高至热平衡的过程,同时也考虑了源区和漏区电阻RS、Rd的温度效应。模型直观简单,模拟结果与实验数据的一致性很好,而这些因素的引入并未明显增加运算的复杂度及迭代收敛性。因此在大功率SiC MESFET的研究过程中,这一模型适合于器件温度特性分析。 (2) 4H-SiC MESFET结构中,由于采用导通型或半绝缘型衬底,在有源层和衬底间需加入一隔离层(buffer),这一隔离层和相关的体“陷阱效应”可造成器件跨导和漏导下降、漏极电流降低、夹断电压偏移、漏源电阻增加等现象,使器件的输出功率和效率下降。本文首次提出用等效参数描述隔离层陷阱效应的影响,并将该因素考虑到模型参数中,解析描述漏电导、跨导、夹断电压等关键参数的变化趋势,使模拟输出特性与理论分析一致。由于是基于准解析的模型,故迭代运算收敛速度很快,适合于器件结构及电路的设计及优化。 (3) 4H-SiC干法刻蚀工艺在刻蚀面会形成一定的晶格损伤,使表面态增加,特别在凹陷栅区会造成明显的影响:在栅下可造成肖特基势垒的变化,在栅源间和栅漏间可造成源漏电阻的增加,而在整个沟道区可造成横向迁移率、电场等重要参数的变化,导致器件输出特性的退化,同时表面钝化工艺形成的SiO2(Si3N4)/SiC界面也可能增加表面态的影响。文中针对栅区表面态对沟道电流的调制,通过建立参数模型描述了受表
【学位授予单位】:西安电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:TN32

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【引证文献】
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1 吕红亮;4H-SiC MESFET理论模型与实验研究[D];西安电子科技大学;2007年
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1 王振;GaN MOSFET器件特性计算机模拟分析与研究[D];山东大学;2008年
2 徐志超;射频碳化硅E类功率放大器研究[D];西安电子科技大学;2010年
3 张虎;一种具有L型栅和部分p型隔离层的4H-SiC MESFET[D];西安电子科技大学;2012年
【参考文献】
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1 尚也淳,张义门,张玉明;杂质不完全离化对SiCMOSFET的影响[J];半导体学报;2001年07期
2 杨林安,张义门,吕红亮,张玉明,于春利;4H-SiC射频功率MESFET大信号直流I-V特性解析模型[J];半导体学报;2001年09期
3 杨林安,张义门,张玉明;基于实验与物理分析的4H-SiC射频功率MESFET大信号非线性精确电容模型[J];半导体学报;2002年02期
4 杨林安,张义门,龚仁喜,张玉明;4H-SiC射频功率MESFET的自热效应分析[J];物理学报;2002年01期
5 杨林安,张义门,于春利,张玉明;SiC功率金属-半导体场效应管的陷阱效应模型[J];物理学报;2003年02期
【共引文献】
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1 朱德智,柯导明,陈军宁;高压LDMOS导通电阻的高温特性[J];安徽电子信息职业技术学院学报;2002年02期
2 柯导明,陈军宁,代月花,宣长林,段运生;考虑非均匀掺杂衬底对一维MOST模型的修正[J];安徽大学学报(自然科学版);2000年01期
3 吴秀龙,孟坚,陈军宁,柯导明,时龙兴,孙伟锋;加场极板LDMOS的击穿电压的分析[J];安徽大学学报(自然科学版);2004年01期
4 袁静;陆超;;EDA仿真与数字逻辑设计实验技术[J];安庆师范学院学报(自然科学版);2006年04期
5 王丽玉,谢家纯,刘文齐;SiC肖特基紫外光电探测器的研制[J];半导体光电;2004年01期
6 胡水江;徐君;黄小华;李生初;;等离子增强化学气相沉积法制备Si-C-H薄膜[J];半导体光电;2012年01期
7 郑世淳;结型场效应可调恒流晶体管[J];半导体技术;1988年05期
8 洪云翔;一种新型高稳定度恒流稳压管的研制[J];半导体技术;1991年01期
9 薛丽君,刘明,王燕,夏洋,陈宝钦;AlGaN/GaN异质结极化行为与二维电子气[J];半导体技术;2004年07期
10 谢媛媛;高学邦;方园;刘文杰;任怀龙;;数控单片移相器的CAD[J];半导体技术;2006年06期
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1 熊俊俏;戴丽萍;刘海英;;双极型三极管EM模型与GP模型分析和应用[A];全国高等学校电子技术研究会论文集[C];2010年
2 张宏亮;徐锐敏;;SiC MESFET非线性等效电路模型研究[A];2005'全国微波毫米波会议论文集(第二册)[C];2006年
3 徐跃杭;徐锐敏;延波;;SiC MESFET大信号建模初步研究[A];2005'全国微波毫米波会议论文集(第二册)[C];2006年
4 盛定仪;谭吉春;杨雨川;杨耿;;功率PIN二极管PSPICE子电路模型[A];2007年全国微波毫米波会议论文集(上册)[C];2007年
5 张玉明;张义门;;碳化硅功率器件[A];中国电工技术学会电力电子学会第八届学术年会论文集[C];2002年
6 陈建军;;一维碳化硅纳米材料的研究进展[A];第17届全国复合材料学术会议(纳米复合材料与界面分论坛)论文集[C];2012年
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4 杨林颖;铁氧体非互易器件新结构及其特性研究[D];电子科技大学;2011年
5 李建伟;考虑工艺波动的互连线模型研究[D];西安电子科技大学;2010年
6 苗瑞霞;4H-SiC外延材料低位错密度关键技术研究[D];西安电子科技大学;2010年
7 马格林;一种新的SiC外延材料质量评估方法[D];西安电子科技大学;2011年
8 郑光明;射频功率放大器关键技术研究[D];电子科技大学;2011年
9 姜霞;AlGaN/GaNHEMT模型研究及MMIC功率放大器设计[D];河北工业大学;2011年
10 梁琳;脉冲功率开关RSD机理与关键技术研究[D];华中科技大学;2008年
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1 郑康伟;金属/SiC接触界面的氢等离子体改性研究[D];大连理工大学;2010年
2 张立平;SiO_2/SiC界面悬挂键及其钝化的第一原理研究[D];大连理工大学;2010年
3 李林茂;SiC MOS界面特性的电导法研究[D];大连理工大学;2010年
4 罗晓刚;碳热还原制备碳化硅纳米线及其性能研究[D];昆明理工大学;2010年
5 赵志桓;功率场效应晶体管(MOSFET)的可制造性设计[D];山东大学;2010年
6 李丽梅;GaN MOSFET器件的研究[D];西安电子科技大学;2011年
7 郭鑫;SiC外延生长加热系统热场分析[D];西安电子科技大学;2011年
8 黄健华;高压4H-SiC结势垒肖特基二极管的研究[D];西安电子科技大学;2011年
9 姚庆阳;纤锌矿GaN和AlGaN体材料输运特性的解析模型及其应用研究[D];西安电子科技大学;2011年
10 王勇淮;极化效应对AlGaN/GaN异质结pin光探测器的影响[D];西安电子科技大学;2011年
【同被引文献】
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1 陈昊;潘宏菽;杨霏;霍玉柱;商庆杰;齐国虎;刘志平;;S波段连续波SiC功率MESFET[J];微纳电子技术;2011年03期
2 张玉明,罗晋生,张义门;n型6H-SiC体材料欧姆接触的制备[J];半导体学报;1997年09期
3 杨林安,张义门,吕红亮,张玉明,于春利;4H-SiC射频功率MESFET大信号直流I-V特性解析模型[J];半导体学报;2001年09期
4 吕红亮,张义门,张玉明,杨林安;4H-SiC功率MESFET的击穿特性[J];半导体学报;2004年09期
5 冉军学,王晓亮,胡国新,王军喜,李建平,曾一平,李晋闽;MOCVD生长Mg掺杂GaN的退火研究[J];半导体学报;2005年03期
6 金瑞琴,朱建军,赵德刚,刘建平,张纪才,杨辉;p型GaN的掺杂研究[J];半导体学报;2005年03期
7 邓小川;张波;李肇基;张有润;;Improved dual-channel 4H-SiC MESFETs with high doped n-type surface layers and step-gate structure[J];半导体学报;2009年07期
8 王守国,张义门,张玉明;4H-SiC离子注入层的欧姆接触的制备(英文)[J];电子科技大学学报;2003年02期
9 曹全君,张义门,张玉明;一种基于数值模型的4H-SiC MESFET大信号建模方法[J];电子科技;2005年08期
10 王波,洪兴楠,高葆新,庞云波;用VOLTERRA级数精确分析MESFET功率放大器的副谐波负载牵引特性[J];电子与信息学报;2002年07期
中国博士学位论文全文数据库 前3条
1 吕红亮;4H-SiC MESFET理论模型与实验研究[D];西安电子科技大学;2007年
2 邓小川;4H-SiC MESFETs微波功率器件新结构与实验研究[D];电子科技大学;2008年
3 曹全君;4H-SiC MESFET非线性模型研究[D];西安电子科技大学;2008年
【二级引证文献】
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1 吕曼;司晓琨;杨立军;;GaN微电子器件的研究进展[J];河北省科学院学报;2011年01期
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1 张金平;4H-SiC射频/微波功率MESFETs新结构与模型研究[D];电子科技大学;2009年
2 张现军;4H-SiC MESFET的结构优化和理论建模研究[D];西安电子科技大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前5条
1 万方文;基于SiC MESFET宽带功率放大器研究[D];西安电子科技大学;2011年
2 王玺;SiC器件宽带功率放大器设计[D];电子科技大学;2011年
3 陈重;复杂电磁环境下接收机的非线性研究[D];电子科技大学;2011年
4 徐志超;射频碳化硅E类功率放大器研究[D];西安电子科技大学;2010年
5 李俊生;复合多晶硅栅MOSFET直流与交流特性模拟研究[D];安徽大学;2010年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前6条
1 尚也淳,张义门,张玉明;中子辐照下的6H-SiCpn结电特性分析[J];半导体学报;2000年07期
2 尚也淳,张义门,张玉明;杂质不完全离化对SiCMOSFET的影响[J];半导体学报;2001年07期
3 杨林安,张义门,吕红亮,张玉明,于春利;4H-SiC射频功率MESFET大信号直流I-V特性解析模型[J];半导体学报;2001年09期
4 尚也淳,张义门,张玉明;SiC/SiO_2界面粗糙散射对沟道迁移率影响的Monte Carlo研究[J];物理学报;2001年07期
5 杨林安,张义门,龚仁喜,张玉明;4H-SiC射频功率MESFET的自热效应分析[J];物理学报;2002年01期
6 汤晓燕,张义门,张玉明;界面态电荷对6H碳化硅N沟MOSFET阈值电压和跨导的影响[J];物理学报;2002年04期
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6 应子罡;吕昕;高本庆;高建峰;李拂晓;;GaAs高速动态分频器的实现[A];2003'全国微波毫米波会议论文集[C];2003年
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2 宋坤;新型碳化硅微波功率MESFET结构设计及性能分析[D];西安电子科技大学;2013年
3 张林;4H-SiC SBD与MESFET高能粒子辐照效应研究[D];西安电子科技大学;2009年
4 徐跃杭;新型高频场效应器件特性与建模技术研究[D];电子科技大学;2010年
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6 王鹏;同时具有隔离层和场板的4H-SiC MESFET特性优化研究[D];西安电子科技大学;2011年
7 曹全君;4H-SiC MESFET参数模型和射频放大器的设计[D];西安电子科技大学;2005年
8 秦建勋;微波功率器件研究[D];电子科技大学;2004年
9 刘立浩;GaAs MESFET击穿特性研究[D];河北工业大学;2003年
10 刘桂云;砷化镓射频功率MESFET大信号模型研究[D];西安电子科技大学;2005年
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