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4H-SiC MESFET理论模型与实验研究

吕红亮  
【摘要】: 碳化硅(SiC)是具有宽禁带、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的新型半导体材料,非常适合于制作高频、大功率、抗辐照的电子器件。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。然而碳化硅器件制造工艺难度较大,肖特基接触不稳定性、陷阱效应、自热效应等影响因素限制了器件达到好的特性。需要对上述问题建模分析并从器件结构上进行改进。另外,尽管研究工作一直在进行,但国内外对碳化硅大信号非线性分析研究未能取得突破性的进展。本文围绕以下几个方面展开工作:在分析碳化硅材料特性的基础上,提出了基于多参数迁移率模型的MESFET三段式直流解析模型;分析研究了4H-SiC MESFET器件小信号模型,分别采用数值求解和解析求解两种方法提取元件参数,并对射频小信号特性进行了理论分析;总结了几种常见的MESFET大信号非线性分析方法,采用Volterra级数法对器件的大信号非线性失真进行了模拟。针对几个主要的非线性元件:g_m,g_(ds),C_(gs)和C_(gd),建立了5×5Y参数系统矩阵,求解二阶和三阶转移函数得到器件的三阶交调失真和三阶截取点。并分析了器件尺寸对器件线性度的影响。在以上模型基础上,研究了影响器件特性的主要因素,如陷阱效应、自热效应等,在模型中进行了相应的改进,使模拟结果与实际器件特性更为接近。设计了4H-SiC MESFET基本参数、关键工艺、版图以及详细的工艺流程,并进行了投片实验。得到了较好的结果。


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