0 引言

    4H-SiC MESFET作为下一代大功率微波器件的首选，具有静态工作电压高、输出阻抗大、线性化程度理想、器件通用性好及设计成本低等优点^[1，2]。传统的4H-SiC MESFET器件虽然在理论上具有很好的直流和射频特性，但在实际中，由于击穿电压和漏电流的提高，在一定程度上为相互制约的关系，导致功率密度达不到更高的要求。目前科学界通过改变4H-SiC MESFET结构的尺寸、形状等手段来提高4H-SiC MESFET器件的性能。而双凹栅结构4H-SiC MESFET和阶梯栅结构MESFET的提出，对栅结构的改变提供了良好的思路。对于阶梯栅4H-SiC MESFET的研究表明，当阶梯栅的数目越多时，器件的各项特性将越好^[3]。所以阶梯的数目趋向于无穷时，阶梯的形状就被微分为一个斜坡。

1 阶梯栅和坡形栅4H-SiC MESFET的结构

    图1为阶梯栅结构MESFET的剖面图，从图中可以看出，MESFET的栅部分由上栅和下栅两部分构成，上栅部分为长方形结构，栅长为L_G；下栅部分为倒阶梯状结构，栅长为W，下栅通过刻蚀延伸到N型沟道区。

    图2是将阶梯数目极限后所产生的结构，器件的结构由一个半绝缘的衬底、一个P型的缓冲层、一个N型沟道和高掺杂的n型覆盖层从下而上堆叠而成，堆叠层表面通过溅射金属引出栅(G)、源(S)、漏电极(D)。坡形栅MESFET结构的尺寸如下：栅长度L_GU为0.7 μm，栅源间距L_GS为0.5 μm，栅漏间距L_GD为1.8 μm，下栅高度为0.06 μm，N型沟道厚度为0.25 μm。掺杂浓度为3×10¹⁷cm^-3，P型缓冲层厚度为0.5 μm，掺杂浓度为1.4×10¹⁵cm^-3，栅的肖特基接触金属为镍^[4]。

2 器件的物理模型及参数

    对于4H-SiC MESFET的研究，通常采用漂移-扩散模型、热力学方程模型和流体力学模型来描述^[5]。本文对坡形栅MESFET及其他结构的仿真中，由于牵扯到高温，漂移扩散模型不可用，流体力学模型相对于热力学模型速度慢得多，所以采用热力学模型进行分析^[6]。

    热力学模型假设载流子和晶格相互热平衡，所以可以假定系统温度统一，电子和空穴的电流密度方程可以通过式(1)和式(2)表示：

    本文的仿真软件采用ISE-TCAD，描述坡形栅MESFET器件的基本模型有能带变窄模型、迁移率模型、雪崩离化模型和复合模型等。

3 不同栅结构的4H-SiC MESFET物理特性对比及坡形栅结构的优化

3.1 双凹栅结构和阶梯栅结构4H-SiC MESFET物理特性对比

    在不同栅结构的4H-SiC MESFET器件中，具有代表性的有双凹栅MESFET和阶梯栅MESFET。双凹栅MESFET的结构剖面图如图3所示。

    从图3中可以看出，双凹栅结构和阶梯栅结构4H-SiC MESFET的区别为下栅部分，双凹栅4H-SiC MESFET的下栅部分为具有长度为W的长方形栅，而阶梯栅的下栅部分为阶梯状的栅。

3.1.1 双凹栅和阶梯栅电流输出特性对比

    在不同栅压下(V_G=0 V、-3 V、-6 V、-9 V)，阶梯栅和双凹栅MESFET结构的直流输出I-V特性曲线如图4所示。

    从图4中可以看出，在不同的栅压下，阶梯栅MESFET的饱和漏极输出电流大于双凹栅MESFET。这是因为对于4H-SiC MESFET，沟道区的等效电阻主要由耗尽区的大小决定，随着低栅部分阶梯数目的变化，耗尽区随之改变，提高阶梯数目使得沟道电阻减小，使漏电流得到提高。在栅压V_G=0 V时，阶梯栅MESFET的饱和漏电流为391 mA/mm，比同条件下的双凹栅MESFET提高了5.9%。

3.1.2 双凹栅和阶梯栅的击穿电压对比

    图5为双凹栅MESFET和阶梯MESFET的击穿电压曲线，从图中可以看出，阶梯栅MESFET的击穿电压为52 V，比双凹栅MESFET提高了4%。这是因为，要使得器件发生击穿，器件内部的电场则需要更高的电压。因此，阶梯栅MESFET的击穿电压大于双凹栅MESFET^[7]。

3.1.3 最大输出功率对比分析

    通过阶梯MESFET与双凹栅MESFET的饱和漏电流和击穿电压可以计算出两种结构的最大输出功率密度Pmax：

其中，I_d是4H-SiC MESFE器件的饱和漏电流，V_B是击穿电压，V_knee是膝点电压。

    从式(3)可以看出，由于阶梯栅MESFET的击穿电压和饱和漏极电流均大于双凹栅MESFET，因此其最大输出功率密度也大于双凹栅MESFET，可见阶梯栅MESFET比双凹栅MESFET具有更加优秀的击穿特性和功率特性。

3.2 阶梯栅结构和坡形栅结构4H-SiC MESFET物理特性对比及优化

    在图2中描述了坡形栅MESFET的结构，在此引入坡形栅MESFET的特征参数(EP_CG)，即坡形栅的终点，定义上栅和下栅的交点为坡形栅的终点。图6中①、②、③、④分别代表了1/4栅、1/2栅、3/4栅和全栅的坡形栅MESFET。图7为坡形栅和阶梯栅MESFET漏电流-漏源电压对比图。

    从图7中可以看出，在V_DS较小，即器件工作在线性区时，坡形栅MESFET和阶梯栅MESFET的漏电流基本相同，但当V_DS进一步增大，这几种结构就有了显著差异。对于坡形栅MESFET，由于EP_CG的不同，导致器件沟道区内的耗尽层发生改变，使得最大饱和漏电流发生变化。当EP_CG为1/2栅时，最大饱和漏电流取得最大值，在V_G=0 V、V_DS=40 V的条件下达到了545 mA。而EP_CG为1/4栅、3/4栅和全栅时，最大饱和漏电流不如EP_CG为1/2栅时，也就是说，当EP_CG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EP_CG从1/2栅移动到1/4栅时，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EP_CG为1/2栅时，坡形栅MESFET的漏电流达到最大值。

    图8为EP_CG分别为1/4栅、1/2栅、3/4栅和全栅时，坡形栅MESFET的击穿电压对比图。从图中可以看出，当EP_CG为1/2栅时，坡形栅MESFET的击穿电压最大达到57.5 V；而当EP_CG为3/4栅时，坡形栅MESFET的击穿电压最小，为48 V。这是因为，在EP_CG为3/4栅和全栅时，由于栅结构下方的终点距离漏测较近，使得栅漏边缘形成了较大的电场，因此更易发生击穿。而EPCG为1/4栅和1/2栅时，漏测边缘更接近于常规4H SiC MESFET，因此击穿电压较高。

4 结论

    本文对比了双凹栅结构和阶梯栅4H-SiC MESFET的电流电压直流特性。结果表明，阶梯栅4H-SiC MESFET具有更好的直流特性。通过对阶梯栅的极限化处理，引出了坡形栅的4H-SiC MESFET结构，以及坡形栅的4H-SiC MESFET的特征参数-坡形栅的终点(EP_CG)。仿真结果表明，当EP_CG为1/2栅，最大饱和漏电流取得最大值，在V_G=0 V、V_DS=40 V的条件下达到了545 mA；EP_CG为1/4栅、3/4栅和全栅时，最大饱和漏电流均不如EP_CG为1/2栅时取得的最大值。

参考文献

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[2] WILLARDSON R K，WEBER E R.SiC material and devices[M].Academic Press，1998.

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[5] 刘恩科.半导体物理学(第七版)[M].北京：国防工业出版社，2011.

[6] 任雪峰，杨银堂，贾护军.4H-SiC MESFET直流I-V特性解析模型[J].半导体技术，2008(2)：129-132.

[7] RAMEZANI Z，OROUJI A A，AGHAREZAEI H.A novel symmetrial 4H-SiC MESFET：an effective way to improve the breakdown voltage[J].Joural of Computation Elctronics，2015(1).

作者信息:

侯  斌，邢  鼎，张战国，臧继超，马  磊

(航天科技集团九院七七一研究所，陕西 西安710000)