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4H-SiC MESFET特性對比及仿真

2017年電子技術應用第1期

侯斌，邢鼎,，張戰(zhàn)國，臧繼超,，馬磊

航天科技集團九院七七一研究所，陜西西安710000

摘要： 通過對雙凹柵結構和階梯柵結構4H-SiC MESFET的直流特性對比,，得出階梯柵結構的直流特性優(yōu)于雙凹柵結構,。對階梯柵結構進行極限化處理后，引出了坡形柵4H-SiC MESFET的結構及其特征參數(shù)EPCG,，通過仿真對比了坡形柵4H-SiC MESFET結構EPCG分別為1/4柵,、1/2柵、3/4柵和全柵時的直流特性,。結果表明,，當EPCG為1/2柵時，最大飽和漏電流取得最大值,，在VG=0 V,、VDS=40 V的條件下達到了545 mA；當EPCG為1/4柵,、3/4柵和全柵時,，最大飽和漏電流均不如EPCG為1/2柵時取得的最大值。

關鍵詞： 仿真 4H-SiCMESFET 階梯柵坡形柵

中圖分類號： TN386.2
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.01.003
中文引用格式： 侯斌,，邢鼎,，張戰(zhàn)國，等. 4H-SiC MESFET特性對比及仿真[J].電子技術應用,，2017,，43(1)：13-15，19.
英文引用格式： Hou Bin,，Xing Ding,，Zhang Zhanguo，et al. The characteristic comparison and simulation of 4H-SiC MESFET[J].Application of Electronic Technique,，2017,，43(1)：13-15，19.

The characteristic comparison and simulation of 4H-SiC MESFET

Hou Bin,，Xing Ding,，Zhang Zhanguo，Zang Jichao,，Ma Lei

The 771 Institute of the Ninth Research Institute of Aerospace Science and Technology Corporation,，Xi′an 710000，China

Abstract： Comparing the DC characteristic of double recessed gate structure and stepped gate structure of 4H-SiC MESFET, the DC characteristic of double gate structure are better than the step gate structure. The structure and characteristic parameter of EPCG of slope gate 4H-SiC MESFET bring forward through limiting the step gate structure. Simulating the DC characteristic of slope gate 4H-SiC MESFET when the gate proportion is 1/4,、1/2,、3/4 and all gate，the result shows that the saturated maximum leakage current is obtained when the gate proportion is 1/2. The maximum leakage current achieves 545 mA in condition of VG=0 V,、VDS=40 V. The maximum saturated leakage which the gate proportion is 1/2 is larger than gate proportion is 1/4,、3/4 and all gate.

Key words : simulation；4H-SiC MESFET,；stepped gate,；slope gate

0 引言

4H-SiC MESFET作為下一代大功率微波器件的首選，具有靜態(tài)工作電壓高,、輸出阻抗大,、線性化程度理想、器件通用性好及設計成本低等優(yōu)點^[1,，2],。傳統(tǒng)的4H-SiC MESFET器件雖然在理論上具有很好的直流和射頻特性，但在實際中,，由于擊穿電壓和漏電流的提高,，在一定程度上為相互制約的關系，導致功率密度達不到更高的要求,。目前科學界通過改變4H-SiC MESFET結構的尺寸,、形狀等手段來提高4H-SiC MESFET器件的性能。而雙凹柵結構4H-SiC MESFET和階梯柵結構MESFET的提出,，對柵結構的改變提供了良好的思路,。對于階梯柵4H-SiC MESFET的研究表明,，當階梯柵的數(shù)目越多時，器件的各項特性將越好^[3],。所以階梯的數(shù)目趨向于無窮時,，階梯的形狀就被微分為一個斜坡。

1 階梯柵和坡形柵4H-SiC MESFET的結構

圖1為階梯柵結構MESFET的剖面圖,，從圖中可以看出,，MESFET的柵部分由上柵和下柵兩部分構成，上柵部分為長方形結構,，柵長為L_G,；下柵部分為倒階梯狀結構，柵長為W,，下柵通過刻蝕延伸到N型溝道區(qū),。

圖2是將階梯數(shù)目極限后所產(chǎn)生的結構，器件的結構由一個半絕緣的襯底,、一個P型的緩沖層,、一個N型溝道和高摻雜的n型覆蓋層從下而上堆疊而成，堆疊層表面通過濺射金屬引出柵(G),、源(S),、漏電極(D)。坡形柵MESFET結構的尺寸如下：柵長度L_GU為0.7 μm,，柵源間距L_GS為0.5 μm,，柵漏間距L_GD為1.8 μm，下柵高度為0.06 μm,，N型溝道厚度為0.25 μm,。摻雜濃度為3×10¹⁷cm^-3，P型緩沖層厚度為0.5 μm,，摻雜濃度為1.4×10¹⁵cm^-3,，柵的肖特基接觸金屬為鎳^[4]。

2 器件的物理模型及參數(shù)

對于4H-SiC MESFET的研究,，通常采用漂移-擴散模型,、熱力學方程模型和流體力學模型來描述^[5]。本文對坡形柵MESFET及其他結構的仿真中,，由于牽扯到高溫,，漂移擴散模型不可用，流體力學模型相對于熱力學模型速度慢得多,，所以采用熱力學模型進行分析^[6],。

熱力學模型假設載流子和晶格相互熱平衡，所以可以假定系統(tǒng)溫度統(tǒng)一,，電子和空穴的電流密度方程可以通過式(1)和式(2)表示：

本文的仿真軟件采用ISE-TCAD,，描述坡形柵MESFET器件的基本模型有能帶變窄模型,、遷移率模型、雪崩離化模型和復合模型等,。

3 不同柵結構的4H-SiC MESFET物理特性對比及坡形柵結構的優(yōu)化

3.1 雙凹柵結構和階梯柵結構4H-SiC MESFET物理特性對比

在不同柵結構的4H-SiC MESFET器件中,，具有代表性的有雙凹柵MESFET和階梯柵MESFET。雙凹柵MESFET的結構剖面圖如圖3所示,。

從圖3中可以看出,，雙凹柵結構和階梯柵結構4H-SiC MESFET的區(qū)別為下柵部分,，雙凹柵4H-SiC MESFET的下柵部分為具有長度為W的長方形柵,，而階梯柵的下柵部分為階梯狀的柵。

3.1.1 雙凹柵和階梯柵電流輸出特性對比

在不同柵壓下(V_G=0 V,、-3 V,、-6 V、-9 V),，階梯柵和雙凹柵MESFET結構的直流輸出I-V特性曲線如圖4所示,。

從圖4中可以看出，在不同的柵壓下,，階梯柵MESFET的飽和漏極輸出電流大于雙凹柵MESFET,。這是因為對于4H-SiC MESFET，溝道區(qū)的等效電阻主要由耗盡區(qū)的大小決定,，隨著低柵部分階梯數(shù)目的變化,，耗盡區(qū)隨之改變，提高階梯數(shù)目使得溝道電阻減小,，使漏電流得到提高,。在柵壓V_G=0 V時，階梯柵MESFET的飽和漏電流為391 mA/mm,，比同條件下的雙凹柵MESFET提高了5.9%,。

3.1.2 雙凹柵和階梯柵的擊穿電壓對比

圖5為雙凹柵MESFET和階梯MESFET的擊穿電壓曲線，從圖中可以看出,，階梯柵MESFET的擊穿電壓為52 V,，比雙凹柵MESFET提高了4%。這是因為,，要使得器件發(fā)生擊穿,，器件內(nèi)部的電場則需要更高的電壓。因此,，階梯柵MESFET的擊穿電壓大于雙凹柵MESFET^[7],。

3.1.3 最大輸出功率對比分析

通過階梯MESFET與雙凹柵MESFET的飽和漏電流和擊穿電壓可以計算出兩種結構的最大輸出功率密度Pmax：

其中，I_d是4H-SiC MESFE器件的飽和漏電流,，V_B是擊穿電壓,，V_knee是膝點電壓,。

從式(3)可以看出，由于階梯柵MESFET的擊穿電壓和飽和漏極電流均大于雙凹柵MESFET,，因此其最大輸出功率密度也大于雙凹柵MESFET,，可見階梯柵MESFET比雙凹柵MESFET具有更加優(yōu)秀的擊穿特性和功率特性。

3.2 階梯柵結構和坡形柵結構4H-SiC MESFET物理特性對比及優(yōu)化

在圖2中描述了坡形柵MESFET的結構,，在此引入坡形柵MESFET的特征參數(shù)(EP_CG),，即坡形柵的終點，定義上柵和下柵的交點為坡形柵的終點,。圖6中①,、②、③,、④分別代表了1/4柵,、1/2柵、3/4柵和全柵的坡形柵MESFET,。圖7為坡形柵和階梯柵MESFET漏電流-漏源電壓對比圖,。

從圖7中可以看出，在V_DS較小,，即器件工作在線性區(qū)時,，坡形柵MESFET和階梯柵MESFET的漏電流基本相同，但當V_DS進一步增大,，這幾種結構就有了顯著差異,。對于坡形柵MESFET，由于EP_CG的不同,，導致器件溝道區(qū)內(nèi)的耗盡層發(fā)生改變,，使得最大飽和漏電流發(fā)生變化。當EP_CG為1/2柵時,，最大飽和漏電流取得最大值,，在V_G=0 V、V_DS=40 V的條件下達到了545 mA,。而EP_CG為1/4柵,、3/4柵和全柵時，最大飽和漏電流不如EP_CG為1/2柵時,，也就是說,，當EP_CG從全柵移動到3/4柵、1/2柵時,，由于溝道層內(nèi)的耗盡區(qū)不斷減小,，使得溝道不斷展寬，導致最大飽和漏電流不斷增大；而EP_CG從1/2柵移動到1/4柵時,，溝道耗盡區(qū)邊界的電流集邊效應將會越來越嚴重,，這會使得溝道減小，導致最大飽和漏電流減小,。因此,，當EP_CG為1/2柵時，坡形柵MESFET的漏電流達到最大值,。

圖8為EP_CG分別為1/4柵,、1/2柵、3/4柵和全柵時,，坡形柵MESFET的擊穿電壓對比圖,。從圖中可以看出，當EP_CG為1/2柵時,，坡形柵MESFET的擊穿電壓最大達到57.5 V,；而當EP_CG為3/4柵時,，坡形柵MESFET的擊穿電壓最小,，為48 V。這是因為,，在EP_CG為3/4柵和全柵時,，由于柵結構下方的終點距離漏測較近，使得柵漏邊緣形成了較大的電場,，因此更易發(fā)生擊穿,。而EPCG為1/4柵和1/2柵時，漏測邊緣更接近于常規(guī)4H SiC MESFET,，因此擊穿電壓較高,。

4 結論

本文對比了雙凹柵結構和階梯柵4H-SiC MESFET的電流電壓直流特性。結果表明,，階梯柵4H-SiC MESFET具有更好的直流特性,。通過對階梯柵的極限化處理，引出了坡形柵的4H-SiC MESFET結構,，以及坡形柵的4H-SiC MESFET的特征參數(shù)-坡形柵的終點(EP_CG),。仿真結果表明，當EP_CG為1/2柵,，最大飽和漏電流取得最大值,，在V_G=0 V、V_DS=40 V的條件下達到了545 mA,；EP_CG為1/4柵,、3/4柵和全柵時，最大飽和漏電流均不如EP_CG為1/2柵時取得的最大值。

參考文獻

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[7] RAMEZANI Z,，OROUJI A A，AGHAREZAEI H.A novel symmetrial 4H-SiC MESFET：an effective way to improve the breakdown voltage[J].Joural of Computation Elctronics,，2015(1).

作者信息:

侯斌,，邢鼎，張戰(zhàn)國,，臧繼超,，馬磊

(航天科技集團九院七七一研究所，陜西西安710000)

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