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带隔离层和场板的4H-SiC MESFET结构优化与特性研究

作　者: 余涔
导　师: 贾护军
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 4H-SiC MESFET 隔离层场板
分类号: TN386
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 49次
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内容摘要

碳化硅(SiC)材料由于具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度等特点,是做高温、高频、大功率器件的理想材料。然而,作为SiC材料的一个固有属性,高本征表面态和界面态使得目前研制成功的SiC微波功率MESFET器件中,总是面临着诸如电流不稳定、电流崩塌等性能和可靠性方面的问题,尤其是当器件工作在高频时,由于高密度界面态所需的大的充放电时间,使得沟道电流的开关速度跟不上栅极输入信号的变化,从而导致器件输出功率和增益的下降,这就是SiC MESFET中特有的栅延迟现象。对于这些问题,目前只能从器件结构上寻求解决的途径。论文首先在综述了SiC材料的特点、SiC MESFET的国内外研究现状及其发展趋势的基础上,系统分析研究了SiC MESFET器件的工作原理,采用二维器件仿真软件MEDICI建立了4H-SiC MESFET器件的结构模型和物理模型。根据对传统4H-SiC MESFET结构常温和高温基本直流工作特性中输出特性、转移特性等特性的分析,确定了基本模型和研究方法。为了抑制甚至消除表面陷阱效应,同时改善器件功率特性,论文中提出了同时具有隔离层和场板的4H-SiC MESFET器件结构。首先分析了此结构中沟道厚度和浓度对器件的影响。沟道厚度增大时,器件阈值电压、漏电流和击穿电压都会增加,但是过大的沟道厚度会导致短沟道效应;沟道浓度增加时,器件的阈值电压、漏电流会增加,但是击穿电压会相应减少;根据RESURF条件,当沟道浓度为1.5?1017cm-3时可以得到最大击穿电压。接下来研究了栅极结构参数,包括埋栅深度、栅极水平位置、栅极形状、栅场板结构以及栅长等对器件特性的影响。栅极水平位置会改变栅漏距离,但是不会改变器件的阈值电压;栅极形状是正梯形和倒梯形时,阈值电压几乎不变,器件的其他特性改变也很小;栅场板结构能够有效增加击穿电压,当栅场板长度取0.6μm时可以得到击穿电压的最大值,但是会降低器件漏电流;栅长的增加会增加器件的击穿电压,但是会导致漏电流的下降。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第一章绪论  8-14
  1.1 SiC材料特点  8-9
  1.2 SiC MESFET国内外研究现状和存在的问题  9-12
  1.3 本文主要工作  12-14
第二章 4H-SiC MESFET的基本模型  14-28
  2.1 MESFET的工作原理  14-16
  2.2 MEDICI 软件  16-17
    2.2.1 基本原理与功能概括  16
    2.2.2 常用输入项  16-17
  2.3 基本模型与研究方法  17-26
    2.3.1 器件基本模型  17-18
    2.3.2 材料特性模型  18-21
    2.3.3 击穿机理和模型  21-24
    2.3.4 边界条件  24-25
    2.3.5 基本模拟方法  25-26
  2.4 本章小结  26-28
第三章传统结构 4H-SiC MESFET 的直流特性仿真  28-36
  3.1 4H-SiC MESFET传统结构的直流工作特性的模拟  28-31
    3.1.1 器件结构  28
    3.1.2 直流工作特性  28-30
    3.1.3 高温直流工作特性  30-31
  3.2 4H-SiC MESFET传统结构的直流击穿特性的模拟  31-35
    3.2.1 直流击穿的基本特性  31-33
    3.2.2 栅极偏置的影响  33-35
    3.2.3 自热效应的影响  35
  3.3 本章小结  35-36
第四章带隔离层和场板的4H-SiC MESFET结构特性模拟  36-56
  4.1 MESFET的结构演变  36
  4.2 4H-SiC MESFET器件主要研究的结构  36-38
  4.3 带有隔离层的4H-SiC MESFET的基本直流特性的模拟  38-42
    4.3.1 带有隔离层的4H-SiC MESFET的研究现状  38
    4.3.2 表面态对4H-SiC MESFET特性的影响  38-40
    4.3.3 N+源漏高掺杂区垂直位置对于器件特性的影响  40-42
  4.4 沟道参数对于器件特性的影响  42-47
    4.4.1 沟道厚度  42-44
    4.4.2 沟道浓度  44-46
    4.4.3 RESURF技术应用  46-47
  4.5 栅场板和其他栅结构对器件特性的影响  47-54
    4.5.1 埋栅深度  47-49
    4.5.2 栅极水平位置  49-50
    4.5.3 栅极形状  50-52
    4.5.4 栅场板结构  52-53
    4.5.5 栅长  53-54
  4.6 本章小结  54-56
第五章总结与展望  56-58
致谢  58-60
参考文献  60-64
硕士期间参与课题  64-65

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