4H-SiC MESFET的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和理論建模研究.pdf

1、碳化硅(SiC)是一種極具潛力的新型半導(dǎo)體材料，具有帶隙寬、載流子飽和漂移速率大、擊穿電場和熱導(dǎo)率高等許多優(yōu)點(diǎn)，非常適合于制作高頻、大功率、高溫、抗輻照的電子器件。4H-SiC金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(4H-SiC MESFET)更是近年來半導(dǎo)體領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。
　　然而，在改善4H-SiC MESFET功率特性方面，提高器件的擊穿電壓和提高電流密度之間存在矛盾，提高電流密度需要溝道雜質(zhì)摻雜濃度比較高，溝道厚度比較大，但這樣將降

2、低器件的擊穿電壓。當(dāng)4H-SiC MESFET作為開關(guān)器件應(yīng)用并處于關(guān)態(tài)時(shí)，器件工作在亞閾值狀態(tài)，漏致勢壘降低(DIBL)效應(yīng)將產(chǎn)生明顯的負(fù)面效應(yīng)。
　　本論文圍繞這些熱點(diǎn)問題，在器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化和建模方面進(jìn)行了研究，對4H-SiC MESFET的直流特性、交流小信號(hào)特性和亞閾值特性進(jìn)行了系統(tǒng)的理論建模和分析。主要工作及成果如下：
　　(1)4H-SiC MESFET的理論分析?；?H-SiC材料的特性，包括載流子遷移率模型和

3、載流子凍析效應(yīng)，并考慮MESFET的柵-漏間高電場區(qū)和溝道長度調(diào)制效應(yīng)，建立了4H-SiC MESFET的直流電流和交流小信號(hào)參數(shù)模型，計(jì)算并分析了器件的直流特性和交流小信號(hào)特性。與文獻(xiàn)已報(bào)道的模型相比，所建模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合的更好。
　　(2)緩沖柵4H-SiC MESFET結(jié)構(gòu)的建模和性能研究。首次提出了一種緩沖柵4H-SiC MESFET新結(jié)構(gòu)，仿真了該結(jié)構(gòu)器件的擊穿特性，建立了其直流電流和交流小信號(hào)參數(shù)模型，分析了

4、該結(jié)構(gòu)4H-SiC MESFET的直流特性和交流特性，計(jì)算結(jié)果與常規(guī)結(jié)構(gòu)的相應(yīng)結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作了比較。理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合的較好；當(dāng)柵緩沖層厚度為0.2μm時(shí)，擊穿電壓在常規(guī)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上提高了28％，最大飽和電流密度提高了近1倍，最大輸出功率密度提高了144％，截止頻率由8GHz提高到20 GHz，最高振蕩頻率由45GHz提高到100GHz，器件的功率特性和微波特性得到了明顯改善。
　　(3)雙材料柵結(jié)構(gòu)4H-SiC MESFE

5、T的建模與亞閾值特性研究。為了抑制DIBL效應(yīng)，提出了一種雙材料柵4H-SiC MESFET新結(jié)構(gòu)，建立了描述該結(jié)構(gòu)器件亞閾值特性的模型，分析了其亞閾值特性和DIBL效應(yīng)，利用ISE仿真軟件進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，并與常規(guī)結(jié)構(gòu)的亞閾值特性作了比較。計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果符合較好；與常規(guī)結(jié)構(gòu)4H-SiC MESFET的亞閾值特性相比，雙材料柵結(jié)構(gòu)可有效抑制DIBL效應(yīng)，從而改善器件的亞閾值特性。
　　(4)雙溝結(jié)構(gòu)4H-SiC MESFET亞閾

6、值特性建模和結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。建立了描述雙溝結(jié)構(gòu)4H-SiC MESFET亞閾值特性的模型，基于所建模型分析了該結(jié)構(gòu)的亞閾值特性和DIBL效應(yīng)對亞閾值特性的影響，并進(jìn)一步優(yōu)化了器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)。結(jié)果表明，參數(shù)優(yōu)化后的雙溝結(jié)構(gòu)4H-SiC MESFET能夠抑制DIBL效應(yīng)，從而改善了器件的亞閾值特性。
　　本文提出的4H-SiC MESFET新結(jié)構(gòu)以及建立的模型，為改善器件的功率特性、微波特性和亞閾值特性提供了新的解決思路和理論研究方法。