新型碳化硅微波功率MESFET結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能分析.pdf

1、碳化硅(SiC)材料具有寬禁帶、高電子飽和漂移速率、高臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高熱導(dǎo)率等優(yōu)良特性，在高頻、高溫、大功率、抗輻射等領(lǐng)域擁有極為廣闊的應(yīng)用前景。隨著無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)硬件系統(tǒng)高功率密度、快響應(yīng)速度的需求日益迫切，基于SiC材料的肖特基柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET)在微波射頻領(lǐng)域具有Si、GaAs器件無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，適合航天、微波通信、電子對(duì)抗、大容量信息處理等應(yīng)用。鑒于國(guó)內(nèi)外SiCMESFET研究現(xiàn)狀，本文從器件結(jié)構(gòu)、數(shù)值仿真

2、、可靠性、制備工藝等方面對(duì)SiCMESFET開(kāi)展了系統(tǒng)的研究分析。主要的研究工作和成果如下:
　　(1)從工作機(jī)理的角度分析了SiC微波功率MESFET的器件特性，整合了準(zhǔn)確表征4H-SiC材料特性和MESFET器件工作機(jī)理的物理模型，并基于ISE-TCAD軟件建立了合適的4H-SiCMESFET器件模型，對(duì)器件的直流、交流、擊穿特性進(jìn)行了模擬分析，并討論了器件特性與關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的依賴(lài)關(guān)系，優(yōu)化了器件結(jié)構(gòu)，為器件設(shè)計(jì)提供了參考。<

3、br>　　(2)SiC與鈍化材料之間高密度的界面態(tài)導(dǎo)致器件工作在較高頻率時(shí)出現(xiàn)柵延遲現(xiàn)象，影響器件的性能指標(biāo)。為抑制界面態(tài)的陷阱效應(yīng)，提出了一種新型隔離層結(jié)構(gòu)的SiCMESFET并設(shè)計(jì)了針對(duì)該結(jié)構(gòu)器件制備的工藝流程?；诟倪M(jìn)的陷阱模型對(duì)柵長(zhǎng)為0.6μm的器件進(jìn)行了特性模擬研究。結(jié)果表明，P型隔離層能有效地抑制表面陷阱的影響并且能減小器件在大電壓微波應(yīng)用條件下的柵漏電容;P型隔離層結(jié)合場(chǎng)板結(jié)構(gòu)改善了柵極邊緣的電場(chǎng)分布，同時(shí)能減小單一使用場(chǎng)

4、板結(jié)構(gòu)時(shí)引入的寄生柵漏電容。新結(jié)構(gòu)4H-SiCMESFET的最大飽和漏電流密度為460mA/mm，在漏電壓20V的柵延遲抑制比接近90％。交流特性的分析結(jié)果表明，新結(jié)構(gòu)比埋柵-場(chǎng)板結(jié)構(gòu)器件的特征頻率(ft)和最高振蕩頻率(fmax)分別提高了5％和17.8％。
　　(3)基于電場(chǎng)調(diào)制的思想，在分析場(chǎng)板結(jié)構(gòu)器件所存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上，建立了帶柵漏間表面p型外延層的新型MESFET器件模型，模型綜合考慮了高場(chǎng)載流子飽和、雪崩碰撞離化等效應(yīng)

5、。利用所建模型分析了表面外延層對(duì)器件溝道表面電場(chǎng)分布的改善作用，并采用突變結(jié)近似法對(duì)外延層參數(shù)與器件輸出電流(Ids)和擊穿電壓(VB)的關(guān)系進(jìn)行了研究。經(jīng)過(guò)優(yōu)化的結(jié)果表明，選擇P型外延層厚度為0.12μm，摻雜濃度為5×1015cm-3，可使器件的VB提高33％而保持Ids基本不變，在一定程度上改善了導(dǎo)通電阻和擊穿電壓之間的矛盾。
　　(4)為進(jìn)一步提升器件的頻率特性，將柵下緩沖層結(jié)構(gòu)應(yīng)用于SiCMESFET中，并結(jié)合P型隔離層

6、使器件的特性得以整體性提升。在鈍化層和溝道之間引入的p型隔離層抑制了表面陷阱的影響，并改善了柵極邊緣的電場(chǎng)分布。另一方面，在柵極下面引入的輕摻雜N型緩沖層降低了擴(kuò)展在導(dǎo)電溝道中的耗盡層，從而提高了輸出電流Ids并減小了柵電容Cg。論文還對(duì)器件特性與結(jié)構(gòu)參數(shù)的依賴(lài)關(guān)系進(jìn)行了研究，獲得了優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。在擊穿電壓VB有所提高的情況下，柵下緩沖層結(jié)構(gòu)MESFET的最大飽和電流密度為325mA/mm，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)MESFET的182mA/mm相比

7、有將近79％的提升。此外，應(yīng)用新結(jié)構(gòu)的MESFET的特征頻率和最大振蕩頻率較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)MESFET分別提高了27％和28％。
　　(5)在分析短溝道器件所存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上，針對(duì)深亞微米SiCMESFET提出了改進(jìn)型的異質(zhì)柵結(jié)構(gòu)，并結(jié)合肖特基柵勢(shì)壘降低、勢(shì)壘隧穿等物理模型，分析了改進(jìn)型異質(zhì)柵結(jié)構(gòu)對(duì)SiCMESFET溝道電勢(shì)、夾斷電壓以及柵下電場(chǎng)分布的影響。通過(guò)與傳統(tǒng)柵器件特性的對(duì)比表明，異質(zhì)柵結(jié)構(gòu)在SiCMESFET的溝道電勢(shì)中引入了

8、多階梯分布，加強(qiáng)了近源端電場(chǎng);另一方面，相比于雙柵器件，改進(jìn)型異質(zhì)柵器件溝道最大電勢(shì)的位置遠(yuǎn)離源端，更好抑制了短溝道效應(yīng)。此外，研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的異質(zhì)柵對(duì)短溝道器件特性的影響，獲得了優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，減小了器件的亞閾值傾斜因子。為發(fā)揮碳化硅器件在大功率應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了非對(duì)稱(chēng)異質(zhì)柵結(jié)構(gòu)，提高了小柵長(zhǎng)器件的耐壓。
　　綜上所述，本論文在傳統(tǒng)SiCMSEFET基礎(chǔ)上，提出了幾種新型器件結(jié)構(gòu)，通過(guò)器件建模和特性仿真對(duì)新結(jié)構(gòu)器件進(jìn)行了系