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同时具有隔离层和场板的4H-SiC MESFET特性优化研究

王鹏  
【摘要】:碳化硅(SiC)材料由于具有大的禁带宽度、高的临界击穿电场、高的电子饱和速度以及高的热导率等性能,在高温、高功率、抗辐照等工作条件下具有明显的优势,成为近几年半导体领域研究的热点。由于SiC材料的自身属性,目前研制成功的SiC微波功率MESFET器件中普遍存在高本征表面态和界面态,使得器件在直流特性体现为输出电流大幅下降,在高频工作时总是面临着电流不稳定、电流崩塌等性能和可靠性方面的问题。目前国际国内对于器件性能的改善措施主要有隔离层和场板。隔离层用来抑制表面陷阱,场板用来提高击穿电压,两者都有非常好的效果。但是尚没有研究将上述两种结构结合起来,使得器件能够抑制表面陷阱获得高的输出电流并且可以得到高的击穿电压。 本文针对器件的表面陷阱所带来的器件性能的退化,同时把隔离层和场板同时引入器件结构,不仅达到了抑制表面陷阱的效果,并且提高了击穿电压;通过优化二者的参数,提高了器件的输出电流和击穿电压。本文首先利用二维器件仿真软件ISE-TCAD建立了4H-SiC MESFET器件的结构模型和物理模型。根据对传统4H-SiC MESFET结构的基本直流工作特性中输出特性、转移特性等特性的分析,确定了基本模型和研究方法。其次,从器件的输出特性和转移特性两方面对表面陷阱的影响进行了研究,并结合实际确定了使得器件性能退化最大的表面陷阱的密度和能级:密度为1×10~(13)cm~(-2),能级距离导带1.8eV。在此种情况下,4H-SiC MESFET漏源电流下降约120%,跨导下降约50%。第三,在上述研究基础上,对隔离层掺杂浓度、厚度和隔离层中的埋栅深度进行了优化和无陷阱的理想状态进行对比,得到优化参数:隔离层的厚度为0.1μm,掺杂浓度为1×10~(14)cm~(-3),埋栅深度为为0.05μm。在这组优化参数下进行仿真,表面陷阱效应得到有效抑制,且引入的寄生参数较小,器件的直流性能得到大幅度的提高。相对于有陷阱的传统结构,漏源电流提高约130%,跨导增益大于20mS/mm的电压工作范围提高约100%。最后,在隔离层上引入场板结构,分析其对器件的直流特性的影响。分析其对器件击穿电压提高的机理,从而说明场板与隔离层之间不存在相互的影响。经优化场板的长度,可以提高器件的击穿电压约60%。


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