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4H-SiC MESFET的结构优化和理论建模研究

张现军  
【摘要】:碳化硅(SiC)是一种极具潜力的新型半导体材料,具有带隙宽、载流子饱和漂移速率大、击穿电场和热导率高等许多优点,非常适合于制作高频、大功率、高温、抗辐照的电子器件。4H-SiC金属半导体场效应晶体管(4H-SiC MESFET)更是近年来半导体领域研究的热点之一。 然而,在改善4H-SiC MESFET功率特性方面,提高器件的击穿电压和提高电流密度之间存在矛盾,提高电流密度需要沟道杂质掺杂浓度比较高,沟道厚度比较大,但这样将降低器件的击穿电压。当4H-SiC MESFET作为开关器件应用并处于关态时,器件工作在亚阈值状态,漏致势垒降低(DIBL)效应将产生明显的负面效应。 本论文围绕这些热点问题,在器件结构优化和建模方面进行了研究,对4H-SiCMESFET的直流特性、交流小信号特性和亚阈值特性进行了系统的理论建模和分析。主要工作及成果如下: (1)4H-SiC MESFET的理论分析。基于4H-SiC材料的特性,包括载流子迁移率模型和载流子冻析效应,并考虑MESFET的栅-漏间高电场区和沟道长度调制效应,建立了4H-SiC MESFET的直流电流和交流小信号参数模型,计算并分析了器件的直流特性和交流小信号特性。与文献已报道的模型相比,所建模型计算结果与实验结果符合的更好。 (2)缓冲栅4H-SiC MESFET结构的建模和性能研究。首次提出了一种缓冲栅4H-SiC MESFET新结构,仿真了该结构器件的击穿特性,建立了其直流电流和交流小信号参数模型,分析了该结构4H-SiC MESFET的直流特性和交流特性,计算结果与常规结构的相应结果以及实验数据作了比较。理论结果与实验数据符合的较好;当栅缓冲层厚度为0.2μm时,击穿电压在常规结构基础上提高了28%,最大饱和电流密度提高了近1倍,最大输出功率密度提高了144%,截止频率由8GHz提高到20GHz,最高振荡频率由45GHz提高到100GHz,器件的功率特性和微波特性得到了明显改善。 (3)双材料栅结构4H-SiC MESFET的建模与亚阈值特性研究。为了抑制DIBL效应,提出了一种双材料栅4H-SiC MESFET新结构,建立了描述该结构器件亚阈值特性的模型,分析了其亚阈值特性和DIBL效应,利用ISE仿真软件进行了仿真验证,并与常规结构的亚阈值特性作了比较。计算结果与仿真结果符合较好;与常规结构4H-SiC MESFET的亚阈值特性相比,双材料栅结构可有效抑制DIBL效应,从而改善器件的亚阈值特性。 (4)双沟结构4H-SiC MESFET亚阈值特性建模和结构优化研究。建立了描述双沟结构4H-SiC MESFET亚阈值特性的模型,基于所建模型分析了该结构的亚阈值特性和DIBL效应对亚阈值特性的影响,并进一步优化了器件的结构参数。结果表明,参数优化后的双沟结构4H-SiC MESFET能够抑制DIBL效应,从而改善了器件的亚阈值特性。 本文提出的4H-SiC MESFET新结构以及建立的模型,为改善器件的功率特性、微波特性和亚阈值特性提供了新的解决思路和理论研究方法。


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