4H—SiC MESFET新结构的特性分析

4H—SiC MESFET新结构的特性分析
作者：彭强
来源：《电子技术与软件工程》2016年第09期
【关键词】4H-SiC 击穿电压饱和漏电流
高电子饱和漂移速率、高热导率、高临界击穿电场、宽禁带宽度等，是碳化硅材料的优良特性，在大功率、高温、高压和高频应用较为广泛。

近几年来，把碳化硅材料用于金属半导体场效应晶体管生产与制造的研究日益增多，且取得了显著成就。

有研究指出，与普通型结构击穿电压相比，双凹型结构出现大幅度下降，为了解决上述问题，现提出4H-SiC MESFET新型结构。

1 器件结构
基于双凹结构提出了4H-SiC MESFET新结构，该结构拥有浮空金属板与阶梯沟道。

如图1所示。

结构器件结构包括一个高掺杂的N+帽、N型沟道、P型缓冲层、半绝缘衬底，这些结构共同叠加成4H-SiC MESFET新结构，器件表面钝化层主要是Si3N4。

为了实现简化工艺目标，共同产生阶梯栅槽与通道，且两者的深沟槽厚度与浅沟槽厚度相同。

栅金属和浮空金属成为镍（Ni），5.1eV是功函数。

P缓冲层浓度、N沟道浓度和N+帽浓度，分别为5×1015cm-3、2.79×1017cm-3和2×1019cm-3。

器件结构参数如下：N沟道层厚度0.25μm，P-Buffer层厚度0.5μm，栅长（LG）0.7μm，下栅高度（h）0.05μm，下栅长（LG1/LG2）0.35/0.2μm，浅沟槽深度（h1）0.02μm，栅漏距离（LGD）1.8μm，栅源距离（LGS）0.5μm，漏长（LD）0.5μm，源长（LS）0.5μm，浅台阶宽度（L1）0.4μm，距离（S/W）0.4/0.5μm。

2 建立物理模型
运用器件仿真软件Atlas（Silvaco公司生产）实施二维器件仿真。

基于连续性方程、基础泊松方程外，对载流自复合和产生充分考虑，将Auger与SRH模型加入其中；高电场环境下载流子速度出现饱和，加之浓度给载流子漂移速率产生一定影响，将Fldmob与Analytic迁移率模型加入其中；由于碳化硅材料中杂质具备不完全电离特征，将Incomplete不完全电离模型加入；因载流子碰撞电离，将Impact selb碰撞电离模型加入。

3 结果分析
3.1 仿真分析直流特性
通过分析比较提出的4H-Sic MESFET新结构与双凹型4H-Sic MESFET的直流I-V特性图，可以发现，提出的新结构的饱和漏电流远远大于双凹结构。

设定VDS为40V，VGS为
0V，提出的新结构的饱和电流为510mA/mm，双凹结构饱和电流为490mA/mm，通过计算可以得出新结构饱和漏电了显著提升，提升幅度为4.1%。

新提出的结构中，受到阶梯沟道结构与浮空金属板产生的耗尽层的影响，使接近漏端沟道厚度降低，使栅漏电阻增加，但这种影响相对不明显，在处于漏电压偏低的情况下较为显著，线性区是受影响的主要区域。

在漏电压增加的情况下，沟道与栅的反偏电压也会增加，由于层厚度被栅下耗尽，故降低了栅下沟道厚度，整个沟道电阻中，栅下沟道电阻所占比例增加，这时，漏电流影响受到栅下沟道厚度的影响增加，提出的新结构中的下栅厚度各不相同，与双凹结构相比，增加了栅下沟道厚度，使栅下沟道电阻降低，故增加了饱和漏电流。

设定双凹结构VGS为-9.0V，提出的新结构VGS为-9.4V，在这种情况下，比较两种结构的三端击穿特性。

通过分析图像可以发现，击穿发生过程中，漏电流与栅电流会大幅度增加，表明栅处发生了击穿，与相关文献[4]结果一致。

另外，还可以发现双凹结构击穿电压103V，新结构击穿电压232V，两者相比，新结构击穿电压显著提升，上升幅度为125%。

设定双凹结构VGS为-9.0V，新结构VGS为-9.4V，这种条件下，击穿电压与VDS一致，通过分析新结构和双凹结构器件沿器件表面电势分布图，可以发现，新结构的漏端至栅端电压可以分成漏端至浮空金属间电压，浮空金属电压至栅端电压。

分压作用是浮空金属板的重要特性，新结构中增加浮空金属板，与击穿电压相比，栅端加入的反向偏压较低时，栅下耗尽层会逐渐延伸，至浮空金属板结耗尽层，且相互串通。

串通之后，在漏电压增加的情况下，在浮空金属板周围，耗尽层会展开，漏端和浮空金属板间的沟道共同承担大部分的增加电压。

另外，新结构中还应用了阶梯沟道，浅阶梯能够防止沟道电阻增加，而且使浮空金属板接近漏端沟道厚度降低，可起到调节作用，对耗尽层分布进行调节，使浮空金属板接近漏端边缘位置的电场积聚降低，促进耐压能力的提升，除此之外，深阶梯沟道可向耗尽层扩展，再次提升耐压能力。

当漏电流降低不显著时，阶梯沟道可促进器件击穿电压提升。

出现击穿时，通过分析新结构和双凹型结构的表面电场分布图，可以发现，新结构在应用阶梯沟道，将新电场尖峰引入到浮空金属板接近漏端边缘位置，在漏端和浮空金属板间的电场，出现平缓变化区，使电场积分面积增加，利用电势就电场积分公式，可以推断，新结构的击穿电压更高，且能够承担较多的耐压。

计算A类放大器输出最大理论功率密度，公式为：
Pmax=（VBR-Vknee）/8·Idsat
上述公式中，击穿电压用VBR表示，膝点电压用Vknee表示，饱和漏电流用Idsat表示，设定VDS为40V，VGS为0V，Vknee为10V，此时，可以计算出新结构的输出最大理论功率密度，为14.2W/mm，而双凹结构输出最大理论功率密度为5.7W/mm，两者相比，前者显著提升，提升幅度为149%，表明新结构具备良好的功率特性。

3.2 仿真分析频率特性
设定VGS为-4V，VDS为40V，获取频率特性图，U表示梅森增益，MAG表示最大可用功率，h21表示小信号电流增益，新结构截止频率为15.1GHz，双凹结构截止频率为
15.7GHz，前者最大振荡频率是69.2GHz，后者的为77.4GHz。

截止频率表示，公式为：
gm/[（CGD+CGS）·2π]=fT
上述公式中，跨导用gm表示，栅漏间电容用CGD表示，栅源间电容用CGS表示，电流增益截止频率用fT表示。

通过上述公式，可以发现新结构的gm/（CGD+CGS）略小于双凹结构，表明新结构的截止频率略低于双凹结构，进一步证明，新结构的CGS要高于双凹结构，证明新结构式栅下耗尽层面积增加，进而增加了栅源电容。

有文献[7]研究指出，应用阶梯栅结构，能够使高频跨导gm提升，这改善了新结构CGS较大问题，尽管新结构的截止频率较双凹型结构出现略微下降，但不影响频率特性。

4 结论
新结构具备浮空金属板与阶梯沟道，在相同条件下，新击穿电压为232V，而双凹型4H-SiC MESFET结构击穿电压为103V，两者相比前者大幅度增加，增加幅度为125%，且饱和漏电流也明显增加，增加幅度为4.1%。

通过计算输出最大理论功率密度，可以发现，4H-SiC MESFET新结构的输出最大理论功率密度为14.2W/mm，双凹型4H-SiC MESFET结构输出最大理论功率密度为5.7W/mm，两者相比，前者显著提升，提升幅度为149%，结果表明，4H-SiC MESFET新结构比双凹型4H-SiC MESFET结构在功率特性和击穿特性方面，具备显著优势。

另外，新结构截止频率和最大振荡频率分别为15.1GHz和69.2GHz，双凹型结构截止频率和最大振荡频率为15.7GHz和77.4GHz，证明新结构的击穿电压大幅度增加的情况下，不会给截止频率造成严重影响，维持良好的频率特性。

参考文献
[1]彭沛，陈勇.4H-SiC MESFET新结构的特性研究[J].微电子学，2015（3）：404-407.
[2]游娜，张现军.双沟4H-SiC MESFET优化结构的解析模型及性能[J].计算物理，2014，31（1）：103-108.
[3]付兴昌，潘宏菽.4H-MESFFET工艺中的高温氧化及介质淀积技术[J].半导体技术，2012，37（4）：280-284.。