4H—SiC MESFET新結構的特性分析

彭強

【關鍵詞】4H-SiC 擊穿電壓 飽和漏電流

高電子飽和漂移速率、高熱導率、高臨界擊穿電場、寬禁帶寬度等，是碳化硅材料的優良特性，在大功率、高溫、高壓和高頻應用較為廣泛。近幾年來，把碳化硅材料用于金屬半導體場效應晶體管生產與制造的研究日益增多，且取得了顯著成就。有研究指出，與普通型結構擊穿電壓相比，雙凹型結構出現大幅度下降，為了解決上述問題，現提出4H-SiC MESFET新型結構。

1 器件結構

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

為了實現簡化工藝目標，共同產生階梯柵槽與通道，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。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。

器件結構參數如下：N溝道層厚度0.25μm，P-Buffer層厚度0.5μm，柵長（LG）0.7μm，下柵高度（h）0.05μm，下柵長（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（LD）0.5μm，源長（LS）0.5μm，淺臺階寬度（L1）0.4μm，距離（S/W）0.4/0.5μm。

2 建立物理模型

運用器件仿真軟件Atlas（Silvaco公司生產）實施二維器件仿真?；谶B續性方程、基礎泊松方程外，對載流自復合和產生充分考慮，將Auger與SRH模型加入其中；高電場環境下載流子速度出現飽和，加之濃度給載流子漂移速率產生一定影響，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 結果分析

3.1 仿真分析直流特性

通過分析比較提出的4H-Sic MESFET新結構與雙凹型4H-Sic MESFET的直流I-V特性圖，可以發現，提出的新結構的飽和漏電流遠遠大于雙凹結構。設定VDS為40V，VGS為0V，提出的新結構的飽和電流為510mA/mm，雙凹結構飽和電流為490mA/mm，通過計算可以得出新結構飽和漏電了顯著提升，提升幅度為4.1%。新提出的結構中，受到階梯溝道結構與浮空金屬板產生的耗盡層的影響，使接近漏端溝道厚度降低，使柵漏電阻增加，但這種影響相對不明顯，在處于漏電壓偏低的情況下較為顯著，線性區是受影響的主要區域。在漏電壓增加的情況下，溝道與柵的反偏電壓也會增加，由于層厚度被柵下耗盡，故降低了柵下溝道厚度，整個溝道電阻中，柵下溝道電阻所占比例增加，這時，漏電流影響受到柵下溝道厚度的影響增加，提出的新結構中的下柵厚度各不相同，與雙凹結構相比，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。

設定雙凹結構VGS為-9.0V，提出的新結構VGS為-9.4V，在這種情況下，比較兩種結構的三端擊穿特性。通過分析圖像可以發現，擊穿發生過程中，漏電流與柵電流會大幅度增加，表明柵處發生了擊穿，與相關文獻[4]結果一致。另外，還可以發現雙凹結構擊穿電壓103V，新結構擊穿電壓232V，兩者相比，新結構擊穿電壓顯著提升，上升幅度為125%。

設定雙凹結構VGS為-9.0V，新結構VGS為-9.4V，這種條件下，擊穿電壓與VDS一致，通過分析新結構和雙凹結構器件沿器件表面電勢分布圖，可以發現，新結構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，新結構中增加浮空金屬板，與擊穿電壓相比，柵端加入的反向偏壓較低時，柵下耗盡層會逐漸延伸，至浮空金屬板結耗盡層，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，耗盡層會展開，漏端和浮空金屬板間的溝道共同承擔大部分的增加電壓。另外，新結構中還應用了階梯溝道，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，可起到調節作用，對耗盡層分布進行調節，使浮空金屬板接近漏端邊緣位置的電場積聚降低，促進耐壓能力的提升，除此之外，深階梯溝道可向耗盡層擴展，再次提升耐壓能力。當漏電流降低不顯著時，階梯溝道可促進器件擊穿電壓提升。

出現擊穿時，通過分析新結構和雙凹型結構的表面電場分布圖，可以發現，新結構在應用階梯溝道，將新電場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，出現平緩變化區，使電場積分面積增加，利用電勢就電場積分公式，可以推斷，新結構的擊穿電壓更高，且能夠承擔較多的耐壓。

計算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，膝點電壓用Vknee表示，飽和漏電流用Idsat表示，設定VDS為40V，VGS為0V，Vknee為10V，此時，可以計算出新結構的輸出最大理論功率密度，為14.2W/mm，而雙凹結構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%，表明新結構具備良好的功率特性。

3.2 仿真分析頻率特性

設定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表示小信號電流增益，新結構截止頻率為15.1GHz，雙凹結構截止頻率為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。

通過上述公式，可以發現新結構的gm/（CGD+CGS）略小于雙凹結構，表明新結構的截止頻率略低于雙凹結構，進一步證明，新結構的CGS要高于雙凹結構，證明新結構式柵下耗盡層面積增加，進而增加了柵源電容。有文獻[7]研究指出，應用階梯柵結構，能夠使高頻跨導gm提升，這改善了新結構CGS較大問題，盡管新結構的截止頻率較雙凹型結構出現略微下降，但不影響頻率特性。

4 結論

新結構具備浮空金屬板與階梯溝道，在相同條件下，新擊穿電壓為232V，而雙凹型4H-SiC MESFET結構擊穿電壓為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%。通過計算輸出最大理論功率密度，可以發現，4H-SiC MESFET新結構的輸出最大理論功率密度為14.2W/mm，雙凹型4H-SiC MESFET結構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%，結果表明，4H-SiC MESFET新結構比雙凹型4H-SiC MESFET結構在功率特性和擊穿特性方面，具備顯著優勢。另外，新結構截止頻率和最大振蕩頻率分別為15.1GHz和69.2GHz，雙凹型結構截止頻率和最大振蕩頻率為15.7GHz和77.4GHz，證明新結構的擊穿電壓大幅度增加的情況下，不會給截止頻率造成嚴重影響，維持良好的頻率特性。

參考文獻

[1]彭沛，陳勇.4H-SiC MESFET新結構的特性研究[J].微電子學，2015（3）：404-407.

[2]游娜，張現軍.雙溝4H-SiC MESFET優化結構的解析模型及性能[J].計算物理，2014，31（1）：103-108.

[3]付興昌，潘宏菽.4H-MESFFET工藝中的高溫氧化及介質淀積技術[J].半導體技術，2012，37（4）：280-284.