4H-SiC MESFETs微波功率器件新結構與實驗研究.pdf

1、碳化硅(SiC)是第三代半導體材料的典型代表，也是目前晶體生長技術和器件制造水平最成熟、應用最廣泛的寬禁帶半導體材料之一。與傳統(tǒng)半導體材料Si和GaAs相比，SiC材料具有大禁帶寬度、高臨界擊穿電場、高電子飽和漂移速度以及高熱導率等優(yōu)良物理特性，是高溫、高頻、抗輻照、大功率應用場合下極為理想的半導體材料。在微波大功率器件領域，具有高功率密度和高溫可靠性的4H-SiCMESFETs器件是極具潛力的競爭者，在固態(tài)微波通訊系統(tǒng)和相控陣雷達等領

2、域具有廣闊的應用前景。然而SiC MESFETs器件存在的自熱效應和陷阱效應嚴重影響器件工作穩(wěn)定性，降低了器件輸出功率密度，制約其進一步發(fā)展。 本文對4H-SiC MESFETs器件的功率特性和頻率特性等進行研究，提出源場板SiC MESFETs器件新結構；在深入分析影響器件工作穩(wěn)定性的自熱效應基礎上，建立了大柵寬SiC MESFETs器件三維電熱解析模型；并進行多凹柵結構SiC MESFETs器件的實驗研究。主要工作包括：

3、 (1)提出源場板4H-SiC MESFETs器件新結構。該結構通過將場板與源極直接相連，不僅削弱器件柵漏側柵極邊緣的電場強度，優(yōu)化了柵漏側的表面電場，提高器件擊穿電壓；而且場板與源極相連，使得場板與溝道電容轉變?yōu)槁┰捶答侂娙?，并在輸出調諧回路中被電感抵消掉，從而降低柵漏反饋電容，改善器件功率增益，克服了柵場板結構引入額外柵漏反饋電容降低器件功率增益的缺點。數(shù)值分析結果表明，本文提出的源場板4H-SiC MESFETs器件新結構比常

4、規(guī)結構SiCMESFETs器件擊穿電壓提高66％，最大理論輸出功率密度提高73％，功率增益增加2.2dB。同時，本文新結構與常規(guī)結構SiC MESFETs工藝相兼容，這為提高SiC微波器件輸出功率提供了一種新選擇。 (2)提出大柵寬4H-SiC MESFETs三維電熱解析模型。在研究大柵寬SiC MESFETs電熱特性的基礎上，針對目前嚴重影響SiC微波器件性能穩(wěn)定性的自熱效應，建立了一個精確且簡化的大柵寬SiC MESFETs

5、器件電熱解析模型。該模型從固體三維線性熱傳導方程出發(fā)，通過求解器件穩(wěn)態(tài)情況下的拉普拉斯方程，獲得器件表面溫度分布的解析模型。通過與大信號三區(qū)解析模型的聯(lián)立耦合求解，計算出器件表面各柵指的溫度分布。該電熱解析模型給出了器件表面峰值溫度分布與結構參數(shù)(如柵指間距、襯底厚度)和偏置關系(如漏極電壓、柵極電壓)的解析表達式。模擬分析結果表明，本文建立的三維電熱解析模型計算的器件表面各柵指峰值溫度分布與二維數(shù)值仿真結果基本一致。該電熱解析模型有助

6、于器件設計者進行熱設計，從而抑制大柵寬器件自熱效應的影響，提高器件工作穩(wěn)定性。 (3)大柵寬4H-SiC MESFETs多凹柵器件結構實驗研究。基于目前國內SiC工藝加工平臺，設計制作了多凹柵結構SiC MESFETs器件。該器件通過多凹槽結構削弱柵下峰值電場強度，增加了器件柵漏擊穿電壓。在仿真分析基礎上，合理設計了多凹槽刻蝕工藝流程和5mm柵寬SiC MESFETs器件版圖，成功進行了工藝實驗。在S波段2GHz脈沖狀態(tài)下，獲得

7、最大輸出功率為13.5W，增益11.3dB，功率附加效率50％，輸出脈沖頂降小于0.5bB的多凹柵結構SiC MESFETs器件。同時，對影響器件性能的幾個關鍵工藝步驟(源漏電極的歐姆接觸電阻、柵凹槽刻蝕和空氣橋)進行了工藝研究。通過矩形傳輸線測試方法，獲得源漏電極的比接觸電阻率為1.05x10-6Ω.cm2。實驗測量多凹柵結構SiC MESFETs器件柵漏擊穿電壓大于100V，而相同工藝下常規(guī)結構器件柵漏擊穿電壓只有50V。

8、同時，本文對影響SiC MESFETs器件性能穩(wěn)定性的表面陷阱效應和幾何尺寸效應進行了研究，詳細分析和討論了表面態(tài)能級和陷阱密度對器件IV性、轉移特性、跨導和瞬態(tài)響應等特性的影響以及柵源、柵漏間距對器件直流和微波性能的影響。模擬分析結果表明，表面態(tài)降低了漏電流，使閾值電壓發(fā)生漂移，引起負跨導頻率色散等，嚴重影響器件性能穩(wěn)定性，降低了器件輸出功率和附加效率。而柵源間距相對于柵漏間距對SiC MESFETs器件性能具有更明顯的影響，通過減小