0 引言

    4H-SiC MESFET作為下一代大功率微波器件的首選，具有靜態工作電壓高、輸出阻抗大、線性化程度理想、器件通用性好及設計成本低等優點^[1，2]。傳統的4H-SiC MESFET器件雖然在理論上具有很好的直流和射頻特性，但在實際中，由于擊穿電壓和漏電流的提高，在一定程度上為相互制約的關系，導致功率密度達不到更高的要求。目前科學界通過改變4H-SiC MESFET結構的尺寸、形狀等手段來提高4H-SiC MESFET器件的性能。而雙凹柵結構4H-SiC MESFET和階梯柵結構MESFET的提出，對柵結構的改變提供了良好的思路。對于階梯柵4H-SiC MESFET的研究表明，當階梯柵的數目越多時，器件的各項特性將越好^[3]。所以階梯的數目趨向于無窮時，階梯的形狀就被微分為一個斜坡。

1 階梯柵和坡形柵4H-SiC MESFET的結構

    圖1為階梯柵結構MESFET的剖面圖，從圖中可以看出，MESFET的柵部分由上柵和下柵兩部分構成，上柵部分為長方形結構，柵長為L_G；下柵部分為倒階梯狀結構，柵長為W，下柵通過刻蝕延伸到N型溝道區。

    圖2是將階梯數目極限后所產生的結構，器件的結構由一個半絕緣的襯底、一個P型的緩沖層、一個N型溝道和高摻雜的n型覆蓋層從下而上堆疊而成，堆疊層表面通過濺射金屬引出柵(G)、源(S)、漏電極(D)。坡形柵MESFET結構的尺寸如下：柵長度L_GU為0.7 μm，柵源間距L_GS為0.5 μm，柵漏間距L_GD為1.8 μm，下柵高度為0.06 μm，N型溝道厚度為0.25 μm。摻雜濃度為3×10¹⁷cm^-3，P型緩沖層厚度為0.5 μm，摻雜濃度為1.4×10¹⁵cm^-3，柵的肖特基接觸金屬為鎳^[4]。

2 器件的物理模型及參數

    對于4H-SiC MESFET的研究，通常采用漂移-擴散模型、熱力學方程模型和流體力學模型來描述^[5]。本文對坡形柵MESFET及其他結構的仿真中，由于牽扯到高溫，漂移擴散模型不可用，流體力學模型相對于熱力學模型速度慢得多，所以采用熱力學模型進行分析^[6]。

    熱力學模型假設載流子和晶格相互熱平衡，所以可以假定系統溫度統一，電子和空穴的電流密度方程可以通過式(1)和式(2)表示：

    本文的仿真軟件采用ISE-TCAD，描述坡形柵MESFET器件的基本模型有能帶變窄模型、遷移率模型、雪崩離化模型和復合模型等。

3 不同柵結構的4H-SiC MESFET物理特性對比及坡形柵結構的優化

3.1 雙凹柵結構和階梯柵結構4H-SiC MESFET物理特性對比

    在不同柵結構的4H-SiC MESFET器件中，具有代表性的有雙凹柵MESFET和階梯柵MESFET。雙凹柵MESFET的結構剖面圖如圖3所示。

    從圖3中可以看出，雙凹柵結構和階梯柵結構4H-SiC MESFET的區別為下柵部分，雙凹柵4H-SiC MESFET的下柵部分為具有長度為W的長方形柵，而階梯柵的下柵部分為階梯狀的柵。

3.1.1 雙凹柵和階梯柵電流輸出特性對比

    在不同柵壓下(V_G=0 V、-3 V、-6 V、-9 V)，階梯柵和雙凹柵MESFET結構的直流輸出I-V特性曲線如圖4所示。

    從圖4中可以看出，在不同的柵壓下，階梯柵MESFET的飽和漏極輸出電流大于雙凹柵MESFET。這是因為對于4H-SiC MESFET，溝道區的等效電阻主要由耗盡區的大小決定，隨著低柵部分階梯數目的變化，耗盡區隨之改變，提高階梯數目使得溝道電阻減小，使漏電流得到提高。在柵壓V_G=0 V時，階梯柵MESFET的飽和漏電流為391 mA/mm，比同條件下的雙凹柵MESFET提高了5.9%。

3.1.2 雙凹柵和階梯柵的擊穿電壓對比

    圖5為雙凹柵MESFET和階梯MESFET的擊穿電壓曲線，從圖中可以看出，階梯柵MESFET的擊穿電壓為52 V，比雙凹柵MESFET提高了4%。這是因為，要使得器件發生擊穿，器件內部的電場則需要更高的電壓。因此，階梯柵MESFET的擊穿電壓大于雙凹柵MESFET^[7]。

3.1.3 最大輸出功率對比分析

    通過階梯MESFET與雙凹柵MESFET的飽和漏電流和擊穿電壓可以計算出兩種結構的最大輸出功率密度Pmax：

其中，I_d是4H-SiC MESFE器件的飽和漏電流，V_B是擊穿電壓，V_knee是膝點電壓。

    從式(3)可以看出，由于階梯柵MESFET的擊穿電壓和飽和漏極電流均大于雙凹柵MESFET，因此其最大輸出功率密度也大于雙凹柵MESFET，可見階梯柵MESFET比雙凹柵MESFET具有更加優秀的擊穿特性和功率特性。

3.2 階梯柵結構和坡形柵結構4H-SiC MESFET物理特性對比及優化

    在圖2中描述了坡形柵MESFET的結構，在此引入坡形柵MESFET的特征參數(EP_CG)，即坡形柵的終點，定義上柵和下柵的交點為坡形柵的終點。圖6中①、②、③、④分別代表了1/4柵、1/2柵、3/4柵和全柵的坡形柵MESFET。圖7為坡形柵和階梯柵MESFET漏電流-漏源電壓對比圖。

    從圖7中可以看出，在V_DS較小，即器件工作在線性區時，坡形柵MESFET和階梯柵MESFET的漏電流基本相同，但當V_DS進一步增大，這幾種結構就有了顯著差異。對于坡形柵MESFET，由于EP_CG的不同，導致器件溝道區內的耗盡層發生改變，使得最大飽和漏電流發生變化。當EP_CG為1/2柵時，最大飽和漏電流取得最大值，在V_G=0 V、V_DS=40 V的條件下達到了545 mA。而EP_CG為1/4柵、3/4柵和全柵時，最大飽和漏電流不如EP_CG為1/2柵時，也就是說，當EP_CG從全柵移動到3/4柵、1/2柵時，由于溝道層內的耗盡區不斷減小，使得溝道不斷展寬，導致最大飽和漏電流不斷增大；而EP_CG從1/2柵移動到1/4柵時，溝道耗盡區邊界的電流集邊效應將會越來越嚴重，這會使得溝道減小，導致最大飽和漏電流減小。因此，當EP_CG為1/2柵時，坡形柵MESFET的漏電流達到最大值。

    圖8為EP_CG分別為1/4柵、1/2柵、3/4柵和全柵時，坡形柵MESFET的擊穿電壓對比圖。從圖中可以看出，當EP_CG為1/2柵時，坡形柵MESFET的擊穿電壓最大達到57.5 V；而當EP_CG為3/4柵時，坡形柵MESFET的擊穿電壓最小，為48 V。這是因為，在EP_CG為3/4柵和全柵時，由于柵結構下方的終點距離漏測較近，使得柵漏邊緣形成了較大的電場，因此更易發生擊穿。而EPCG為1/4柵和1/2柵時，漏測邊緣更接近于常規4H SiC MESFET，因此擊穿電壓較高。

4 結論

    本文對比了雙凹柵結構和階梯柵4H-SiC MESFET的電流電壓直流特性。結果表明，階梯柵4H-SiC MESFET具有更好的直流特性。通過對階梯柵的極限化處理，引出了坡形柵的4H-SiC MESFET結構，以及坡形柵的4H-SiC MESFET的特征參數-坡形柵的終點(EP_CG)。仿真結果表明，當EP_CG為1/2柵，最大飽和漏電流取得最大值，在V_G=0 V、V_DS=40 V的條件下達到了545 mA；EP_CG為1/4柵、3/4柵和全柵時，最大飽和漏電流均不如EP_CG為1/2柵時取得的最大值。

參考文獻

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作者信息:

侯  斌，邢  鼎，張戰國，臧繼超，馬  磊

(航天科技集團九院七七一研究所，陜西 西安710000)