具有新型栅结构的4H-SiC MESFETs设计及仿真

发布时间：2018-03-07 08:50

本文选题：4H-SiC　切入点：MESFET　出处：《西安电子科技大学》2015年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：4H-SiC场效应晶体管(4H-SiC MESFET)是下一代微波功率器件的理想选择,在微波频段以及高功率输出的半导体器件应用中,4H-SiC MESFET展示出极大的应用价值,在功率器件中极具潜力和竞争力。然而,增加SiC MESFET的漏极输出电流时,不可避免地遇到击穿特性随之减弱的问题,也就是说,尽管SiC MESFET具有很好的直流特性和频率特性,想要进一步提高器件的性能受到了器件本身功率--频率制约的限制。击穿电压和输出漏电流很难实现同时增大,同时,对功率密度的提高常常带来频率特性的恶化。本文首次提出了一种新型的、具有坡形栅结构的4H-SiC MESFET(坡形栅MESFET),以提高SiC MESFET器件的最大饱和漏电流与击穿电压,同时也为了改进SiC MESFET的射频性能。该结构在阶梯栅MESFET结构的基础上,利用微元的思想,将下栅阶梯数目增加到无穷大,形成一个坡形的栅,来形成新的器件结构,引入的坡形栅将栅设置为斜坡形,起到控制横向电场和控制耗尽区边界的电流集边效应的作用。经ISE-TCAD工具仿真,并和双凹栅MESFET、阶梯栅MESFET进行比较后,结果发现,此新结构可提高器件的漏极饱和输出电流Idsat,同时提高器件的击穿电压VB,而且还可以改善器件的截止频率fT,最终使SiC MESFET具有更加优异的直流(DC)和射频(RF)特性。研究发现,坡形栅MESFET有一个最重要的特征参数——坡形栅的终点(End Point of Clival Gate,简称EPCG),其位置将会影响坡形栅MESFET各项物理特性参数。本文在双凹栅MESFET结构和阶梯栅MESFET结构的基础上引入了坡形栅MESFET结构。直流特性方面,当EPCG从全栅移动到3/4栅、1/2栅时,由于沟道层内的耗尽区不断减小,使得沟道不断展宽,导致最大饱和漏电流不断增大;而EPCG从1/2栅移动到1/4栅时,低栅左侧的尖角会变得越来越尖锐,沟道耗尽区边界的电流集边效应将会越来越严重,这会使得沟道减小,导致最大饱和漏电流减小。因此,当EPCG为1/2栅时,坡形栅MESFET的最大饱和漏电流取得最高值,达到了545mA,比双凹栅MESFET提高了47.3%;当EPCG为1/2栅时,坡形栅MESFET的击穿电压最大,达到了57.5V。因此,坡形栅MESFET的最大输出功率密度也大于双凹栅MESFET和阶梯栅MESFET,可见坡形栅MESFET比双凹栅MESFET和阶梯栅MESFET具有更加优秀的击穿特性和大功率特性。射频特性方面,在频率较低时,对于坡形栅MESFET,当EPCG为1/2栅时,栅源电容为0.435pF/mm,分别比双凹栅MESFET和阶梯栅MESFET减小了32%和27%;而Cgd同样作为输入输出信号的反馈电容对器件的交流小信号增益起到负面影响,因此要想获得更高的增益需使Cgd尽量小,在频率较低时,对于坡形栅MESFET,当EPCG为1/2栅时,栅漏电容为0.221pF/mm,分别比双凹栅MESFET和阶梯栅MESFET减小了21%和23.8%,可以看出EPCG为1/2栅的坡形栅MESFET的栅漏电容有很大的减小;由于EPCG为1/2栅的坡形栅MESFET具有较大的gm/Cgs比,我们可以求得其截止频率fT为15GHz,这明显大于双凹栅MESFET的11GHz和阶梯栅MESFET的12GHz,所以EPCG为1/2栅的坡形栅MESFET可以得到更大的带宽。因此,坡形栅MESFET比双凹栅MESFET和阶梯栅MESFET具有更加优秀的直流特性与射频特性。
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【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN386

【参考文献】