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碳化硅场效应器件的模型及关键工艺技术研究

王平  
【摘要】:新型宽禁带半导体材料SiC兼有高饱和电子漂移速度、高击穿电场、高热导率等特点,在高温、大功率、高频、光电子、抗辐射等领域具有广阔的应用前景。作为最重要的SiC器件,SiC场效应器件(主要指SiC金属—半导体场效应晶体管,MESFET和金属—氧化物—半导体场效应晶体管,MOSFET)以及基于MOS技术的SiC CMOS电路更是受到了广泛的关注。 虽然目前碳化硅材料、场效应器件技术已取得很大的进展,但在理论模型及器件工艺方面仍有较多问题亟待解决。理论上,从器件物理的角度出发,建立和完善SiC场效应器件模型,以利于器件结构和电路设计,是目前SiC理论研究需要解决的问题。工艺上,受到实际水平的限制,即使在制造设备较为发达的国外,研究文献表明器件的制造工艺仍处于研发阶段,具体的工艺环节也在摸索之中。国内关于SiC基础工艺的研究刚刚起步,鉴于工艺条件和实践经验上的限制,需要对SiC场效应器件关键工艺技术进行实验研究以获得大量的工艺数据。 本文重点对SiC MESFET、MOSFET及CMOS倒相器特性进行了模型研究,并从实验的角度对影响SiC场效应器件特性的三个关键工艺—欧姆接触、氧化和刻蚀进行了系统研究,主要工作如下: (1)基于对6H-SiC自身能带结构的分析以及各向同性弛豫时间近似法,采用三椭球等能面、抛物线性简化,建立了适于模拟n型6H-SiC电子霍耳迁移率和霍耳散射因子的解析模型,精确描述了不同散射机制对于6H-SiC低场电子输运特性的影响;用系综蒙特卡罗法(Ensemble Monte Carlo,EMC)对高场条件下6H-SiC中的电子输运进行了数值模拟。得出了稳态条件下电子平均漂移速度、平均能量、能量驰豫时间、c轴方向碰撞电离率同高电场的关系以及电子横向漂移速度在不同阶跃电场强度下的瞬态变化规律。 (2)从器件内部载流子输运机理出发,考虑到载流子的冻析效应、漏源串连电阻的影响,在场致迁移率、速度饱和效应的基础上,得到了能够较好模拟4H-SiC MESFET器件直流I-V特性和小信号参数的解析模型。建模中对饱和工作模式进行分析时采用了两区模型的思想,因此对短栅SiC MESFET的特点给了更清晰的描述。该模型具有物理概念清晰的优点,算法也较为简单,能够较精确地分析器件特性,充分体现了SiC材料和器件结构的物理特性,因此非常适于SiC MESFET器件预研和电路设计的应用领域。 (3)在经典薄层电荷模型的基础上,计入杂质不完全离化及界面态电荷的影响,建立了较为准确且适于6H-SiC MOSFET所有工作区的统一的漏电流、跨导以及漏电导解析模型。表面势的计算是建立模型的关键,主要通过解析求解一维泊


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