具有新型柵結(jié)構(gòu)的4H-SiC MESFETs設(shè)計(jì)及仿真.pdf

1、4H-SiC場效應(yīng)晶體管（4H-SiC MESFET）是下一代微波功率器件的理想選擇，在微波頻段以及高功率輸出的半導(dǎo)體器件應(yīng)用中，4H-SiC MESFET展示出極大的應(yīng)用價(jià)值，在功率器件中極具潛力和競爭力。然而，增加SiC MESFET的漏極輸出電流時(shí)，不可避免地遇到擊穿特性隨之減弱的問題，也就是說，盡管SiC MESFET具有很好的直流特性和頻率特性，想要進(jìn)一步提高器件的性能受到了器件本身功率--頻率制約的限制。擊穿電壓和輸出漏電流

2、很難實(shí)現(xiàn)同時(shí)增大，同時(shí)，對(duì)功率密度的提高常常帶來頻率特性的惡化。
　　本文首次提出了一種新型的、具有坡形柵結(jié)構(gòu)的4H-SiC MESFET（坡形柵MESFET），以提高SiC MESFET器件的最大飽和漏電流與擊穿電壓，同時(shí)也為了改進(jìn)SiC MESFET的射頻性能。該結(jié)構(gòu)在階梯柵MESFET結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用微元的思想，將下柵階梯數(shù)目增加到無窮大，形成一個(gè)坡形的柵，來形成新的器件結(jié)構(gòu)，引入的坡形柵將柵設(shè)置為斜坡形，起到控制橫向電場

3、和控制耗盡區(qū)邊界的電流集邊效應(yīng)的作用。經(jīng)ISE-TCAD工具仿真，并和雙凹柵MESFET、階梯柵MESFET進(jìn)行比較后，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，此新結(jié)構(gòu)可提高器件的漏極飽和輸出電流Idsat，同時(shí)提高器件的擊穿電壓VB，而且還可以改善器件的截止頻率fT，最終使SiC MESFET具有更加優(yōu)異的直流（DC）和射頻（RF）特性。
　　研究發(fā)現(xiàn)，坡形柵 MESFET有一個(gè)最重要的特征參數(shù)——坡形柵的終點(diǎn)(End Point of Clival Gat

4、e,簡稱EPCG)，其位置將會(huì)影響坡形柵MESFET各項(xiàng)物理特性參數(shù)。本文在雙凹柵MESFET結(jié)構(gòu)和階梯柵MESFET結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入了坡形柵MESFET結(jié)構(gòu)。直流特性方面，當(dāng)EPCG從全柵移動(dòng)到3/4柵、1/2柵時(shí)，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(dǎo)致最大飽和漏電流不斷增大；而EPCG從1/2柵移動(dòng)到1/4柵時(shí)，低柵左側(cè)的尖角會(huì)變得越來越尖銳，溝道耗盡區(qū)邊界的電流集邊效應(yīng)將會(huì)越來越嚴(yán)重，這會(huì)使得溝道減小，導(dǎo)致最大飽和漏

5、電流減小。因此，當(dāng)EPCG為1/2柵時(shí)，坡形柵MESFET的最大飽和漏電流取得最高值，達(dá)到了545mA，比雙凹柵MESFET提高了47.3％；當(dāng)EPCG為1/2柵時(shí)，坡形柵MESFET的擊穿電壓最大，達(dá)到了57.5V。因此，坡形柵MESFET的最大輸出功率密度也大于雙凹柵MESFET和階梯柵MESFET，可見坡形柵MESFET比雙凹柵MESFET和階梯柵MESFET具有更加優(yōu)秀的擊穿特性和大功率特性。射頻特性方面，在頻率較低時(shí)，對(duì)于坡形

6、柵MESFET，當(dāng)EPCG為1/2柵時(shí)，柵源電容為0.435pF/mm，分別比雙凹柵MESFET和階梯柵MESFET減小了32％和27％；而Cgd同樣作為輸入輸出信號(hào)的反饋電容對(duì)器件的交流小信號(hào)增益起到負(fù)面影響，因此要想獲得更高的增益需使Cgd盡量小，在頻率較低時(shí)，對(duì)于坡形柵MESFET，當(dāng)EPCG為1/2柵時(shí)，柵漏電容為0.221pF/mm，分別比雙凹柵MESFET和階梯柵MESFET減小了21％和23.8％，可以看出EPCG為1/2