针对缓冲层改进的4H-SiC MESFETs新结构设计与仿真

摘要

碳化硅作为第三代宽带隙半导体材料，表现出优异的材料特性，且金属半导体场效应管器件频率高、不易发生二次击穿。4H-SiC MESFETs器件凭借输出功率密度大、良好的热传导性和高可靠性等特性，在微波频段的通信、雷达等设备中拥有广泛的应用。然而，陷阱效应、表面态过高、电场轰击效应等因素会导致器件的输出功率和频率的下降，因此有必要改进器件结构、提高器件性能。提高沟道厚度会导致相互制约、相互矛盾的结果：漏端输出电流增加但击穿电压减少，栅源电容减少但跨导也减少。因此，需要针对性地对缓冲层进行局部改进，还应结合顶部改进才能解决上述制约关系。
　　本文首次提出了具有双凹陷缓冲层和多凹陷沟道的4H-SiC MESFET结构(DRB-MESFET)。仿真结果表明，凹陷源/漏漂移区能够削弱栅极拐角处的电场集边效应，继而提高器件的击穿电压。同时，凹陷的区域抑制栅耗尽层向源/漏两侧延伸，降低栅源和栅漏寄生电容，从而改善器件的频率特性、提高小信号增益性能。另外，通过引入双凹陷缓冲层，有效沟道厚度变宽，电流得到提高，而栅极相对于沟道距离没变，导致栅极对电流的控制作用变强，改善跨导特性。与仅含有凹陷源/漏漂移区的结构相比较，栅源电容基本保持不变，而漏端输出电流和跨导显著提高，使得器件的直流特性和频率特性有显著的提升。与传统的双凹栅结构（DR-MESFET）相比较，DRB-MESFET结构比漏端饱和电流提高38％，击穿电压提高27％，最大功率密度提高74％，栅源电容减少32％，并且截止频率和最大振荡频率分别从16.7、57.2GHz提高到24.7、63.9GHz。
　　本文首次提出一种新的具有Γ栅凹陷缓冲层的4H-SiC MESFET结构(ΓRB-MESFET)。通过改变高栅、低栅相对沟道表面的位置，使得栅下的沟道厚度变大，得到更大的漏端输出电流。低栅源侧不再向下凹陷，减少该处的电场集边效应，提高器件的击穿电压。同时缓冲层向沟道凹陷，使得低栅与沟道底部的相对距离保持不变，确保沟道电流能够有效地被栅压控制，从而提高器件频率特性。仿真结果表明，ΓRB-MESFET结构的最大功率密度比DR-MESFET结构增加42％，截止频率增加19％。若增加高栅相对沟道表面的高度，使得高栅下的耗尽层区域在沟道层的面积减少，不仅增大漏端饱和电流，同时进一步阻碍栅耗尽层向源/漏两侧扩展，降低栅源电容和漏栅电容。更为明显的是，随着高栅相对沟道表面的距离增加，高栅边缘源侧将出现新的电场密度峰值，这将有效缓解电场集边效应，提高器件的击穿电压。

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第一章 绪论

1.1 SiC MESFET优势

1.2 4H-SiC MESFET研究现状

1.3本文主要研究内容

第二章 缓冲层沟道对器件性能的影响

2.1数值模拟工具ISE-TCAD及其物理模型

2.2 DR-MESFET结构及其直流特性

2.3交流特性

2.4本章小结

第三章 具有双凹陷缓冲层、多凹陷沟道4H-SiC MESFET设计

3.1 DRB-MESFET结构

3.2直流特性

3.3交流特性

3.4缓冲层凹陷深度Hdr的影响

3.5本章小结

第四章 具有Γ栅凹陷缓冲层4H-SiC MESFET设计

4.1ΓRB-MESFET结构

4.2直流特性

4.3交流特性

4.4高栅相对沟道表面高度Hug的影响

4.5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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