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

【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