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新型阶梯沟道4H-SiC MESFET设计与仿真

张连进  
【摘要】:4H-SiC MESFET是在L、S、X波段应用最广泛的器件类型,这是因为在高频应用领域MESFET结构优于其他结构,目前,最先进的固态微波通讯系统和雷达都使用GaAs或InP半导体器件。但是,军用飞机电子系统对固态微波器件在大功率、高温上的要求已超过GaAs半导体器件的理论极限,而耐高温和高功率密度的SiC MESFETs微波功率器件则完全可以满足这个要求。 本文充分借鉴SOI功率器件设计思路,结合4H-SiC MESFET已有的设计思想和实践,采用基于电场集边效应和电场调制效应的设计手段,通过改变栅漏漂移区的掺杂分布,创新性的提出一种阶梯沟道(阶梯隔离层)4H-SiC MESFET的新型结构,采用一系列关于4H-SiC MESFET模型与算法,并采用ISE TCAD对其进行充分细致的仿真。仿真中主要优化了阶梯沟道结构的埋栅深度,隔离层厚度和掺杂浓度,分析阶梯位置对电场调制效应的影响。还重点分析了阶梯沟道4H-SiCMESFET器件和传统栅极场板结构的异同点,从小信号交流特性出发,发现阶梯沟道的跨导相对于传统栅场板结构要小,而对于同频率下,栅极场板结构和阶梯沟道结构来讲,阶梯沟道的两个电容分别低于场板结构,场板的引入,增加了额外的栅漏或者栅源反馈电容(Cgs和Cgd),从而导致fT和fmax的降低。阶梯沟道相对于栅极场板分别提升了66.7%和186.7%。 分析了不同a,b长度比时4H-SiC MESFET器件的直流击穿电压,对于a,b长度比为1:1时,获得了最大的击穿电压175V,这是经过仿真得出的一个优化值,总的来说,只要有阶梯所带来的电场调制效应的存在,阶梯在栅漏区不同位置是可以明显提高4H-SiC MESFET微波功率器件的耐压,从仿真结果可以看出,提高程度在40%左右。


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