4H—SiC MESFET新結(jié)構(gòu)的特性分析

彭強(qiáng)

【關(guān)鍵詞】4H-SiC 擊穿電壓 飽和漏電流

高電子飽和漂移速率、高熱導(dǎo)率、高臨界擊穿電場(chǎng)、寬禁帶寬度等，是碳化硅材料的優(yōu)良特性，在大功率、高溫、高壓和高頻應(yīng)用較為廣泛。近幾年來(lái)，把碳化硅材料用于金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管生產(chǎn)與制造的研究日益增多，且取得了顯著成就。有研究指出，與普通型結(jié)構(gòu)擊穿電壓相比，雙凹型結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大幅度下降，為了解決上述問(wèn)題，現(xiàn)提出4H-SiC MESFET新型結(jié)構(gòu)。

1 器件結(jié)構(gòu)

基于雙凹結(jié)構(gòu)提出了4H-SiC MESFET新結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)擁有浮空金屬板與階梯溝道。如圖1所示。結(jié)構(gòu)器件結(jié)構(gòu)包括一個(gè)高摻雜的N+帽、N型溝道、P型緩沖層、半絕緣襯底，這些結(jié)構(gòu)共同疊加成4H-SiC MESFET新結(jié)構(gòu)，器件表面鈍化層主要是Si3N4。

為了實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化工藝目標(biāo)，共同產(chǎn)生階梯柵槽與通道，且兩者的深溝槽厚度與淺溝槽厚度相同。柵金屬和浮空金屬成為鎳（Ni），5.1eV是功函數(shù)。P緩沖層濃度、N溝道濃度和N+帽濃度，分別為5×1015cm-3、2.79×1017cm-3和2×1019cm-3。

器件結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：N溝道層厚度0.25μm，P-Buffer層厚度0.5μm，柵長(zhǎng)（LG）0.7μm，下柵高度（h）0.05μm，下柵長(zhǎng)（LG1/LG2）0.35/0.2μm，淺溝槽深度（h1）0.02μm，柵漏距離（LGD）1.8μm，柵源距離（LGS）0.5μm，漏長(zhǎng)（LD）0.5μm，源長(zhǎng)（LS）0.5μm，淺臺(tái)階寬度（L1）0.4μm，距離（S/W）0.4/0.5μm。

2 建立物理模型

運(yùn)用器件仿真軟件Atlas（Silvaco公司生產(chǎn)）實(shí)施二維器件仿真?；谶B續(xù)性方程、基礎(chǔ)泊松方程外，對(duì)載流自復(fù)合和產(chǎn)生充分考慮，將Auger與SRH模型加入其中；高電場(chǎng)環(huán)境下載流子速度出現(xiàn)飽和，加之濃度給載流子漂移速率產(chǎn)生一定影響，將Fldmob與Analytic遷移率模型加入其中；由于碳化硅材料中雜質(zhì)具備不完全電離特征，將Incomplete不完全電離模型加入；因載流子碰撞電離，將Impact selb碰撞電離模型加入。

3 結(jié)果分析

3.1 仿真分析直流特性

通過(guò)分析比較提出的4H-Sic MESFET新結(jié)構(gòu)與雙凹型4H-Sic MESFET的直流I-V特性圖，可以發(fā)現(xiàn)，提出的新結(jié)構(gòu)的飽和漏電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雙凹結(jié)構(gòu)。設(shè)定VDS為40V，VGS為0V，提出的新結(jié)構(gòu)的飽和電流為510mA/mm，雙凹結(jié)構(gòu)飽和電流為490mA/mm，通過(guò)計(jì)算可以得出新結(jié)構(gòu)飽和漏電了顯著提升，提升幅度為4.1%。新提出的結(jié)構(gòu)中，受到階梯溝道結(jié)構(gòu)與浮空金屬板產(chǎn)生的耗盡層的影響，使接近漏端溝道厚度降低，使柵漏電阻增加，但這種影響相對(duì)不明顯，在處于漏電壓偏低的情況下較為顯著，線性區(qū)是受影響的主要區(qū)域。在漏電壓增加的情況下，溝道與柵的反偏電壓也會(huì)增加，由于層厚度被柵下耗盡，故降低了柵下溝道厚度，整個(gè)溝道電阻中，柵下溝道電阻所占比例增加，這時(shí)，漏電流影響受到柵下溝道厚度的影響增加，提出的新結(jié)構(gòu)中的下柵厚度各不相同，與雙凹結(jié)構(gòu)相比，增加了柵下溝道厚度，使柵下溝道電阻降低，故增加了飽和漏電流。

設(shè)定雙凹結(jié)構(gòu)VGS為-9.0V，提出的新結(jié)構(gòu)VGS為-9.4V，在這種情況下，比較兩種結(jié)構(gòu)的三端擊穿特性。通過(guò)分析圖像可以發(fā)現(xiàn)，擊穿發(fā)生過(guò)程中，漏電流與柵電流會(huì)大幅度增加，表明柵處發(fā)生了擊穿，與相關(guān)文獻(xiàn)[4]結(jié)果一致。另外，還可以發(fā)現(xiàn)雙凹結(jié)構(gòu)擊穿電壓103V，新結(jié)構(gòu)擊穿電壓232V，兩者相比，新結(jié)構(gòu)擊穿電壓顯著提升，上升幅度為125%。

設(shè)定雙凹結(jié)構(gòu)VGS為-9.0V，新結(jié)構(gòu)VGS為-9.4V，這種條件下，擊穿電壓與VDS一致，通過(guò)分析新結(jié)構(gòu)和雙凹結(jié)構(gòu)器件沿器件表面電勢(shì)分布圖，可以發(fā)現(xiàn)，新結(jié)構(gòu)的漏端至柵端電壓可以分成漏端至浮空金屬間電壓，浮空金屬電壓至柵端電壓。分壓作用是浮空金屬板的重要特性，新結(jié)構(gòu)中增加浮空金屬板，與擊穿電壓相比，柵端加入的反向偏壓較低時(shí)，柵下耗盡層會(huì)逐漸延伸，至浮空金屬板結(jié)耗盡層，且相互串通。串通之后，在漏電壓增加的情況下，在浮空金屬板周圍，耗盡層會(huì)展開(kāi)，漏端和浮空金屬板間的溝道共同承擔(dān)大部分的增加電壓。另外，新結(jié)構(gòu)中還應(yīng)用了階梯溝道，淺階梯能夠防止溝道電阻增加，而且使浮空金屬板接近漏端溝道厚度降低，可起到調(diào)節(jié)作用，對(duì)耗盡層分布進(jìn)行調(diào)節(jié)，使浮空金屬板接近漏端邊緣位置的電場(chǎng)積聚降低，促進(jìn)耐壓能力的提升，除此之外，深階梯溝道可向耗盡層擴(kuò)展，再次提升耐壓能力。當(dāng)漏電流降低不顯著時(shí)，階梯溝道可促進(jìn)器件擊穿電壓提升。

出現(xiàn)擊穿時(shí)，通過(guò)分析新結(jié)構(gòu)和雙凹型結(jié)構(gòu)的表面電場(chǎng)分布圖，可以發(fā)現(xiàn)，新結(jié)構(gòu)在應(yīng)用階梯溝道，將新電場(chǎng)尖峰引入到浮空金屬板接近漏端邊緣位置，在漏端和浮空金屬板間的電場(chǎng)，出現(xiàn)平緩變化區(qū)，使電場(chǎng)積分面積增加，利用電勢(shì)就電場(chǎng)積分公式，可以推斷，新結(jié)構(gòu)的擊穿電壓更高，且能夠承擔(dān)較多的耐壓。

計(jì)算A類放大器輸出最大理論功率密度，公式為：

Pmax=（VBR-Vknee）/8·Idsat

上述公式中，擊穿電壓用VBR表示，膝點(diǎn)電壓用Vknee表示，飽和漏電流用Idsat表示，設(shè)定VDS為40V，VGS為0V，Vknee為10V，此時(shí)，可以計(jì)算出新結(jié)構(gòu)的輸出最大理論功率密度，為14.2W/mm，而雙凹結(jié)構(gòu)輸出最大理論功率密度為5.7W/mm，兩者相比，前者顯著提升，提升幅度為149%，表明新結(jié)構(gòu)具備良好的功率特性。

3.2 仿真分析頻率特性

設(shè)定VGS為-4V，VDS為40V，獲取頻率特性圖，U表示梅森增益，MAG表示最大可用功率，h21表示小信號(hào)電流增益，新結(jié)構(gòu)截止頻率為15.1GHz，雙凹結(jié)構(gòu)截止頻率為15.7GHz，前者最大振蕩頻率是69.2GHz，后者的為77.4GHz。截止頻率表示，公式為：

gm/[（CGD+CGS）·2π]=fT

上述公式中，跨導(dǎo)用gm表示，柵漏間電容用CGD表示，柵源間電容用CGS表示，電流增益截止頻率用fT表示。

通過(guò)上述公式，可以發(fā)現(xiàn)新結(jié)構(gòu)的gm/（CGD+CGS）略小于雙凹結(jié)構(gòu)，表明新結(jié)構(gòu)的截止頻率略低于雙凹結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步證明，新結(jié)構(gòu)的CGS要高于雙凹結(jié)構(gòu)，證明新結(jié)構(gòu)式柵下耗盡層面積增加，進(jìn)而增加了柵源電容。有文獻(xiàn)[7]研究指出，應(yīng)用階梯柵結(jié)構(gòu)，能夠使高頻跨導(dǎo)gm提升，這改善了新結(jié)構(gòu)CGS較大問(wèn)題，盡管新結(jié)構(gòu)的截止頻率較雙凹型結(jié)構(gòu)出現(xiàn)略微下降，但不影響頻率特性。

4 結(jié)論

新結(jié)構(gòu)具備浮空金屬板與階梯溝道，在相同條件下，新?lián)舸╇妷簽?32V，而雙凹型4H-SiC MESFET結(jié)構(gòu)擊穿電壓為103V，兩者相比前者大幅度增加，增加幅度為125%，且飽和漏電流也明顯增加，增加幅度為4.1%。通過(guò)計(jì)算輸出最大理論功率密度，可以發(fā)現(xiàn)，4H-SiC MESFET新結(jié)構(gòu)的輸出最大理論功率密度為14.2W/mm，雙凹型4H-SiC MESFET結(jié)構(gòu)輸出最大理論功率密度為5.7W/mm，兩者相比，前者顯著提升，提升幅度為149%，結(jié)果表明，4H-SiC MESFET新結(jié)構(gòu)比雙凹型4H-SiC MESFET結(jié)構(gòu)在功率特性和擊穿特性方面，具備顯著優(yōu)勢(shì)。另外，新結(jié)構(gòu)截止頻率和最大振蕩頻率分別為15.1GHz和69.2GHz，雙凹型結(jié)構(gòu)截止頻率和最大振蕩頻率為15.7GHz和77.4GHz，證明新結(jié)構(gòu)的擊穿電壓大幅度增加的情況下，不會(huì)給截止頻率造成嚴(yán)重影響，維持良好的頻率特性。

參考文獻(xiàn)

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