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《西安电子科技大学》 2005年
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4H-SiC隐埋沟道MOSFET理论和实验研究

郜锦侠  
【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。与广泛应用的半导体材料Si,Ge以及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。而与GaN和金刚石等宽禁带半导体相比,SiC的优点是可以热氧化生成二氧化硅,使得SiC MOSFET器件和电路的实现成为可能。SiC MOSFET器件的研制工艺已得到了迅速发展,但是高温退火所造成的界面粗糙以及禁带中呈不均匀分布的大密度界面态使得反型层沟道迁移率非常小,一般在5-40cm~2/Vs之间。因此提高MOSFET沟道迁移率就成为SiC MOSFET工艺中亟需解决的问题。为减小界面对器件沟道迁移率的降低作用,最直接的方法就是使器件沟道离开界面,因此,埋沟MOS结构就成了一种有希望的器件结构。但是,国内对SiC埋沟MOSFET的研究还是一片空白,本文从以下方面开展碳化硅埋沟MOSFET的研究工作: (1)深入研究了埋沟MOSFET的工作机理。埋沟MOSFET有四种不同的工作模式:表面沟道模式,表面沟道/埋沟混合模式,埋沟模式以及夹断模式。用解一维泊松方程的方法分析了埋沟MOS结构空间电荷区的特性,加深了对该结构各种工作模式的理解。分析了不完全离化对4H-SiC隐埋沟道MOS结构空间电荷区电特性的影响,计算表明,如果考虑场致离化效应,耗尽区内的电子电势分布趋近于完全离化的情况,而沟道区不完全离化的影响较为明显。 (2)由于pn结的存在,使得埋沟MOS结构的C-V特性较为复杂,这对器件的参数提取会带来影响,本文第三章详细分析了埋沟MOS结构的C-V特性。分析表明,在沟道夹断之前,pn结电容不起作用,但是,当沟道被表面耗尽区和pn结耗尽区夹断以后,pn结上相当于加了一个大小为V_(bi)-V_(ch)的正向电压,pn结电容将会起作用,使总的栅电容出现下降的畸变现象。用解析的方法得到了夹断模式下表面耗尽区电容和pn结电容的解析表达式。并用实验测量结果进行了验证。分析了器件参数对隐埋沟道MOS结构C-V特性的影响。对用C-V法提取参数进行了分析。通过分析可知,积累层的栅电容仍然可以用来提取氧化层厚度,用埋沟模式下表面耗尽区的A/C~2~V_(GS)曲线线性关系的斜率可以提取沟道载流子浓度,但在衬底掺杂浓度较低或者沟道深度较浅的情况下,这种方法不再适用。可用夹断区A/C~2~V_(GS)线性关系的斜率来提取衬底载流子浓度,用该线性关系的截距来提取注入沟道深度。 (3)系统地研究了SiC埋沟MOSFET的电流电压特性。分析了沟道载流子迁移率与栅压的关系,首次提出了一个简单的平均迁移率模型,推导了各种工作模式下漏电流随栅压和漏压的关系式。通过IV特性理论值和实验值的比较验证了平均迁移率模型。在亚阈区仅考虑扩散电流,用一个等效沟道厚度的概念来表示电流流
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