具有新型柵結構的4H-SiC MESFETs設計及仿真.pdf

1、4H-SiC場效應晶體管（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體器件應用中，4H-SiC MESFET展示出極大的應用價值，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，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、很難實現(xiàn)同時增大，同時，對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、具有坡形柵結構的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，同時也為了改進SiC MESFET的射頻性能。該結構在階梯柵MESFET結構的基礎上，利用微元的思想，將下柵階梯數(shù)目增加到無窮大，形成一個坡形的柵，來形成新的器件結構，引入的坡形柵將柵設置為斜坡形，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的作用。經(jīng)ISE-TCAD工具仿真，并和雙凹柵MESFET、階梯柵MESFET進行比較后，結果發(fā)現(xiàn)，此新結構可提高器件的漏極飽和輸出電流Idsat，同時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有一個最重要的特征參數(shù)——坡形柵的終點(End Point of Clival Gat

4、e,簡稱EPCG)，其位置將會影響坡形柵MESFET各項物理特性參數(shù)。本文在雙凹柵MESFET結構和階梯柵MESFET結構的基礎上引入了坡形柵MESFET結構。直流特性方面，當EPCG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EPCG從1/2柵移動到1/4柵時，低柵左側的尖角會變得越來越尖銳，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

5、電流減小。因此，當EPCG為1/2柵時，坡形柵MESFET的最大飽和漏電流取得最高值，達到了545mA，比雙凹柵MESFET提高了47.3％；當EPCG為1/2柵時，坡形柵MESFET的擊穿電壓最大，達到了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，對于坡形

6、柵MESFET，當EPCG為1/2柵時，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的反饋電容對器件的交流小信號增益起到負面影響，因此要想獲得更高的增益需使Cgd盡量小，在頻率較低時，對于坡形柵MESFET，當EPCG為1/2柵時，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