面向高效高功率射频放大器的4H-SiC MESFETs器件设计

摘要

基于碳化硅（SiC）材料的功率半导体器件设计已经被研究多年。其中4H-SiC MESFET器件因同时具有的高可靠性（未引入栅极氧化层）与高频结构特性（肖特基接触）成为现今广泛研究的微波功率器件结构。对4H-SiC MESFET器件结构的优化主要在于克服器件击穿电压与饱和漏电流之间的矛盾。在此过程中研究人员将栅极技术、场板技术、漂移区表面刻蚀技术与沟道凹陷技术先后成功运用于器件结构设计中。本论文主要工作是利用沟道掺杂技术与缓冲层掺杂技术继续提高4H-SiC MESFET功率器件性能，进一步突破击穿电压与饱和漏极电流的矛盾关系。同时，通过对器件功率附加效率的研究验证沟道掺杂技术与缓冲层掺杂技术对提升器件能效的积极作用。
　　本研究主要内容包括：⑴对器件沟道掺杂进行详细研究。改变器件栅下沟道与栅漏漂移区下方沟道掺杂浓度，器件最大饱和漏电流均与各区域掺杂浓度呈现正相关关系，而低栅下方沟道掺杂敏感度最高。栅极靠近漏极一侧拐角表面位置是器件的击穿区，在靠近此区域的两个沟道掺杂浓度改变区，浓度的略微增加将大大提前器件的击穿时间。同时，掺杂浓度的降低并没有表现出和器件增加时一样的敏感，而是呈现快速饱和状态。高低栅下方区域与栅漏漂移区下方沟道区域的掺杂浓度对器件栅源电容的影响截然相反，前者呈现负相关关系，而后者却几乎呈现出正相关关系。进而将这种变化趋势与器件击穿电压的变化趋势相关联发现，改变栅极下方且向着源极方向区域的沟道掺杂浓度，随着击穿电压的降低，器件栅源电容不断增加；相反，改变栅极向着漏极方向区域的沟道掺杂浓度，随着击穿电压的降低，栅源电容不断降低。器件跨导与四个区域掺杂浓度的改变基本呈现正比例关系。值得注意的是，在低栅下方位置，因为沟道浓度对栅压与饱和漏极电流的双重影响，此区域掺杂浓度的改变对器件跨导均产生消极影响。⑵提出具有部分沟道重掺杂区域的新型4H-SiC MESFET器件结构。由于重掺杂区域提供的更大的沟道载流子浓度使得器件饱和漏极电流相较于DRB-MESFET结构有18.4％的增加，器件最大输出功率密度增加了16.5%。由于重掺杂浓度对栅下耗尽区的调制与沟道电流的增加使得器件跨导大幅增加，相较于DRB-MESFET结构，新结构跨导增加了32%。但同时，由于器件栅源电容的增加，器件截止频率相较于DRB-MESFET基本保持不变。⑶提出具有部分缓冲层重掺杂区的新型4H-SiC MESFET器件结构设计。相较于传统的SiC MESFET，新结构的击穿电压因为此区域对器件的电场调制的作用由69.4V提升至113.4V，而器件最大输出功率密度相较于传统结构提升了60.17%。

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第一章绪论

1.1 本文研究背景与意义

1.2 4H-SiC MESFET研究现状

1.3 本文主要创新点与章节安排

第二章沟道内不同区域杂质浓度与器件性能相关性研究

2.1 数值模拟工具ISE-TCAD及其物理模型

2.2 ADS与功率晶体管主要能效考量参数

2.3 4H-SiC MESFET的工作原理

2.4 沟道内不同区域杂质浓度与器件性能相关性研究

2.5 本章小结

第三章具有局部沟道重掺杂区的4H-SiC MESFET设计

3.1 HD-MESFET结构

3.2 直流特性分析

3.3 交流特性分析

3.4 重掺杂区域(X)杂质浓度的优化

3.5 功率附加效率验证

3.6 本章小结

第四章具有局部缓冲层重掺杂区4H-SiC MESFET新型器件设计

4.1 器件结构

4.2 直流特性分析

4.3 交流特性分析

4.4 X区域掺杂浓度对器件性能的影响

4.5 新器件能效验证

4.6 本章小结

第五章结论与展望

5.1 结论

5.2 研究展望

参考文献

致谢

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