论文摘要
宽带隙半导体材料SiC因其高饱和电子漂移速度、高击穿电场、高热导率等特点,在高温、大功率、高频、光电子、抗辐射等领域具有广阔的应用前景。而以MOS技术为基础的SiC金属-氧化物-半导体（MOS）器件和相应的数字/模拟电路的研制受到了广泛的关注。本文重点对SiC MOS器件和CMOS倒相器以及运算放大器的温度特性进行分析研究。并基于现有工艺条件给出了4H-SiC NMOS器件的初步实验结果以及欧姆接触的实验结果。主要工作和结论如下：（1）通过一维解析求解泊松方程对不同温度下的界面固定电荷密度和界面陷阱电荷进行分离；利用界面陷阱高斯分布中各个参数的物理概念对其值进行确定；考虑到载流子的冻析效应、高场下电子速度饱和,界面陷阱的不均匀分布,各种表面散射因素以及选取合适的界面陷阱占据初始态,利用ISE软件较好的模拟了不同温度下电荷在界面陷阱的复合物理过程对器件的直流和瞬态特性的影响。此仿真的进行将不同温度下复杂的界面陷阱电荷的复合过程简化如下：随着温度的升高,电子动能的增加导致界面陷落电荷减小,而相应的表面总迁移率则因表面库仑散射作用的减弱而升高；另外,器件栅特性受表面迁移率随温度升高先升高后降低,杂质离化率随温度升高而升高的综合影响而在450K以上呈现“零温度系数点”特点；瞬态脉冲的峰值电流是由所占据的快界面陷阱决定,因其具有更大的俘获截面；而脉冲的衰变是由慢界面态以及其具有较小的陷阱俘获截面决定的。（2）研究了各种表面散射机制对器件特性的影响。在考虑到界面陷阱不均匀分布时,利用器件模拟软件对各种表面散射机制进行合理的分离,并且研究在高温高压条件下何种散射机制成为影响器件性能的主要因素：当温度高达600K时,反型层迁移率主要受库伦散射的影响,而其余的散射机制是可以被忽略的,而只有在更高的温度更高的栅源电压下,其余的散射机制才会影响到反型沟道迁移率。（3）考虑到杂质高温下的不完全离化以及6H-SiC材料强烈的各向异性,分析了不同晶面上温度对6H-SiC MOSFET击穿特性的影响。研究表明虽然在不同的晶面上器件的击穿电压不同,但其随温度的变化趋势是相同的,都具有正温度系数。为了改善器件的高压特性,应使电场方向平行于C轴,或者采用适当的设计使垂直于C轴的电场比平行于C轴的电场小。（4）为了改善PMOS器件界面特性,对埋沟6H-SiC PMOS器件存在的合理性和的温度特性进行了初步的探讨和分析。（5）SiC CMOS反相器温度特性的研究。利用器件模拟软件ISE软件在考虑到SiC材料特殊性质的影响下对高温下SiC CMOS反相器的直流稳态特性进行研究。并与相同结构的Si CMOS反相器进行了比较,对电路的相关的静态参数进行提取。得到SiC CMOS反相器在数字电路应用时的特点。（6）SiC CMOS运算放大器温度特性的研究。对适用于Si材料具有零温度系数点且泄漏电流匹配的PMOS输入标准两级运算放大器的温度特性进行了模拟。根据高温单管MOS模型推导了SiC CMOS差分运放的差模等效电路和共模等效电路,并对增益进行了推导,利用Hspice level 11对其电路的温度特性进行仿真。由于SiC MOS器件沟道迁移率低导致器件的跨导低于相同尺寸下的Si器件,所以其开环增益也小于相同结构和尺寸的Si OPAMP;虽然在单独的温度下SiC电路具有一定的稳定输出,但是并不具有温度稳定性,其参数随温度发生变化；对高温版图的设计也进行了初步讨论。（7）SiC MOSFET器件和电路实验的初步探讨。立足于现有条件,得到了4H-SiC欧姆接触以及4H-SiC NMOS器件的实验初步结果：通过离子注入可以得到较好的n型和p欧姆接触-10-5Ω·cm2数量级,可以达到器件制作要求。4H-SiC NMOS器件具有良好的线性和饱和特性,阈值电压在1V左右,5μm器件跨导18mS/mm。