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带隔离层和场板的4H-SiC MESFET结构优化与特性研究

余涔  
【摘要】: 碳化硅(SiC)材料由于具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度等特点,是做高温、高频、大功率器件的理想材料。然而,作为SiC材料的一个固有属性,高本征表面态和界面态使得目前研制成功的SiC微波功率MESFET器件中,总是面临着诸如电流不稳定、电流崩塌等性能和可靠性方面的问题,尤其是当器件工作在高频时,由于高密度界面态所需的大的充放电时间,使得沟道电流的开关速度跟不上栅极输入信号的变化,从而导致器件输出功率和增益的下降,这就是SiC MESFET中特有的栅延迟现象。对于这些问题,目前只能从器件结构上寻求解决的途径。 论文首先在综述了SiC材料的特点、SiC MESFET的国内外研究现状及其发展趋势的基础上,系统分析研究了SiC MESFET器件的工作原理,采用二维器件仿真软件MEDICI建立了4H-SiC MESFET器件的结构模型和物理模型。根据对传统4H-SiC MESFET结构常温和高温基本直流工作特性中输出特性、转移特性等特性的分析,确定了基本模型和研究方法。为了抑制甚至消除表面陷阱效应,同时改善器件功率特性,论文中提出了同时具有隔离层和场板的4H-SiC MESFET器件结构。首先分析了此结构中沟道厚度和浓度对器件的影响。沟道厚度增大时,器件阈值电压、漏电流和击穿电压都会增加,但是过大的沟道厚度会导致短沟道效应;沟道浓度增加时,器件的阈值电压、漏电流会增加,但是击穿电压会相应减少;根据RESURF条件,当沟道浓度为1.5?1017cm-3时可以得到最大击穿电压。接下来研究了栅极结构参数,包括埋栅深度、栅极水平位置、栅极形状、栅场板结构以及栅长等对器件特性的影响。栅极水平位置会改变栅漏距离,但是不会改变器件的阈值电压;栅极形状是正梯形和倒梯形时,阈值电压几乎不变,器件的其他特性改变也很小;栅场板结构能够有效增加击穿电压,当栅场板长度取0.6μm时可以得到击穿电压的最大值,但是会降低器件漏电流;栅长的增加会增加器件的击穿电压,但是会导致漏电流的下降。


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