新型结构的碳化硅MESFET设计与仿真研究

论文摘要

SiC材料作为第三代半导体材料的代表之一,以其较宽的禁带宽度、较高的临界击穿电场、载流子饱和漂移速度以及热导率等特性,在高温,抗辐照,高功率等工作条件下具有明显的优势。4H-SiC被认为是研制MESFET的最佳材料之一。而存在于4H-SiC MESFET的表面陷阱会引起电流的不稳定性。具有较好的击穿特性会使其更广泛地应用于高压领域。为了屏蔽表面陷阱并提高击穿电压,本文设计并研究了三种不同的碳化硅MESFET新结构,通过仿真工具ISE TCAD对各种新型器件结构进行仿真与讨论。首先建立了埋沟-埋栅型MESFET器件结构,对其直流特性、瞬态特性以及交流小信号特性进行了一系列的模拟和仿真研究,考虑界面态的影响机理,分析了器件参数的变化对器件特性的改善情况,确定器件参数的最优值并设计了工艺流程和版图。然后,在埋沟-埋栅型MESFET结构的基础上,为了提高器件的击穿特性,引入了场板结构。研究了场板长度的变化对器件的直流、交流小信号以及击穿特性所产生的影响。最后,模拟研究了“双沟道”MESFET结构,并根据模拟仿真的直流输出特性以及击穿特性,优化了“低沟道”层和“高沟道”层的结构参数。本文的仿真结果表明,论文所提出的三种4H-SiC MESFET新结构减弱了表面陷阱效应、提高了交流小信号特性,并改善了器件的击穿特性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 碳化硅材料以及碳化硅MESFETs的优势和研究意义
• 1.2 4H-SiC MESFET研究现状与存在的问题
• 1.2.1 4H-SiC MESFET国内外研究现状
• 1.2.2 4H-SiC MESFET研究过程中存在的问题
• 1.3 本文主要工作
• 第二章 4H-SiC MESFET的基本模型和器件特性
• 2.1 ISE TCAD器件模拟中的模型和参数选取
• 2.1.1 ISE TCAD模拟工具简介
• 2.1.2 算法设置
• 2.1.3 基本方程
• 2.2 4H-SiC MESFET的基本模型和研究方法
• 2.2.1 材料特性的模型与参数
• 2.2.2 边界条件
• 2.2.3 表面陷阱对MESFET器件的影响
• 2.3 本章小结
• 第三章 埋沟-埋栅型4H-SiC MESFET结构设计、仿真与工艺
• 3.1 埋沟-埋栅型MESFET模型的建立
• 3.2 表面陷阱对埋沟-埋栅型MESFET的影响
• 3.2.1 衬底厚度在模拟仿真中对器件的影响
• 3.2.2 表面陷阱对器件特性的影响
• 3.3 埋沟-埋栅型MESFET的直流特性
• 3.3.1 确定n型缓冲隔离层的最佳厚度
• 3.3.2 埋栅深度对直流特性的影响
• 3.3.3 杂质不完全离化与温度对直流特性的影响
• 3.4 埋沟-埋栅型MESFET的瞬态特性
• 3.4.1 转移特性的仿真
• 3.4.2 表面陷阱对瞬态特性的影响
• 3.4.3 方波输入电压的瞬态特性仿真
• 3.4.4 脉冲输入电压的瞬态特性仿真
• 3.5 埋沟-埋栅型MESFET的交流小信号特性
• 3.5.1 小信号正弦分析方法及参数
• 3.5.2 交流小信号各项特性的仿真及分析
• 3.6 埋沟-埋栅型MESFET的工艺研究及研制前的准备
• 3.6.1 工艺选择
• 3.6.2 用于实验的外延材料结构参数
• 3.6.3 工艺版图的设计
• 3.7 本章小结
• 第四章 具有场板结构的埋沟-埋栅型MESFET设计
• 4.1 具有场板结构的埋沟-埋栅型MESFET模型的建立
• 4.2 场板结构对直流特性的影响
• 4.2.1 具有场板结构的埋沟-埋栅型MESFET与传统结构的对比
• 4.2.2 场板结构对直流输出特性的影响
• 4.2.3 场板结构对直流输入特性的影响
• 4.2.4 场板结构对瞬态特性的影响
• 4.3 场板结构对交流小信号特性的影响
• 4.3.1 跨导和漏导的分析
• 4.3.2 栅漏电容和栅源电容的分析
• 4.3.3 截止频率和最高自激振荡频率的计算
• 4.4 场板结构对击穿特性的影响
• 4.4.1 场板结构的引入对器件击穿特性的影响
• 4.4.2 场板长度的变化对器件特性的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 双沟道MESFET结构的仿真及沟道参数的优化
• 5.1 双沟道MESFET结构基本模型的建立
• 5.2 双沟道MESFET结构沟道参数的优化
• 5.2.1 表面陷阱对双沟道结构的影响
• 5.2.2 直流输出特性的仿真与实验数据的对比
• 5.2.3 双沟道结构与传统结构直流特性的对比
• 5.2.4 最佳沟道参数的提出
• 5.3 本章小结
• 第六章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 硕士期间参加课题
• 发表论文及专利申请
• 硕士期间获奖情况