[发明专利]双凹槽阶梯缓冲栅4H-SiC金属半导体场效应管及建模仿真方法

权利要求书

1.一种双凹槽阶梯缓冲栅4H-SiC金属半导体场效应管，其特征在于，包括4H-SiC半绝缘衬底层、P型缓冲层、第一凹槽和第二凹槽、N型沟道层；

N型沟道层的上端面分别为源极帽层和漏极帽层，源极帽层的上端面设置源极，漏极帽层上端面设置漏极，源极帽层和漏极帽层之间形成栅极；栅极与N型沟道层的上表面之间设置阶梯缓冲栅层；由漏极向栅极方向延伸一定距离形成场板，漏极与栅极之间设置钝化层Si₃N₄；

第一凹槽设置和第二凹槽均设置在P型缓冲层的顶部，其中第一凹槽位于栅极下方，第二凹槽位于漏极帽层和场板的下方。

2.根据权利要求1所述的双凹槽阶梯缓冲栅4H-SiC金属半导体场效应管，其特征在于，所述第一凹槽和第二凹槽的深度及长度均相同，分别为0.15μm和1μm。

3.根据权利要求1或2所述的双凹槽阶梯缓冲栅4H-SiC金属半导体场效应管，其特征在于，所述第一凹槽和第二凹槽之间设置小台柱，小台柱的长度为0.2μm。

4.根据权利要求1所述的双凹槽阶梯缓冲栅4H-SiC金属半导体场效应管，其特征在于，所述源极和漏极的厚度及长度均相同，分别为0.2μm和0.5μm；栅极的厚度及长度分别为0.2μm和0.7μm；栅源间距、栅漏间距、栅极与场板间距分别为0.5μm、0.7μm、0.3μm。

5.根据权利要求1所述的双凹槽阶梯缓冲栅4H-SiC金属半导体场效应管，其特征在于，所述N型沟道层和P型缓冲层的厚度分别为0.25μm、0.5μm，掺杂浓度分别为3×10¹⁷cm^-3、1.4×10¹⁵cm^-3。

6.一种根据权利要求1-5任意一项所述的双凹槽阶梯缓冲栅4H-SiC金属半导体场效应管的建模仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：构建双凹槽阶梯缓冲栅4H-SiC金属半导体场效应管的物理模型，包括如下三种类型：

类型一：带隙和电子亲和力模型：在器件仿真工具DESSIS的参数文件中，利用带隙和电子亲和力模型建立晶格温度和带隙之间的关系，如下所示：

其中：T为晶格温度，E_g(0)为在0k时的带隙宽度，α＝6.65×10^-4eV/K,β＝1300K为材料参数，SiC的E_g(0)为3.23ev；

类型二：迁移率模型：当材料未掺杂时，迁移率是晶格温度的函数；在掺杂杂质之后，将导致半导体材料的载流子迁移率降低；因此，建立Masetti模型以模拟迁移率对掺杂浓度的依赖性，如下所示：

其中：N_i为离子化杂质的总浓度；

μ_min1为载流子最低迁移率1，电子为88cm²/(Vs)，空穴为44cm²/(Vs)；

μ_min2为载流子最低迁移率2，电子为0cm²/(Vs)，空穴为0cm²/(Vs)；

μ₁为载流子迁移率1，电子为43.4cm²/(Vs)，空穴为29cm²/(Vs)；

P_c为材料参数，电子为0cm²/(Vs)，空穴为0cm²/(Vs)；

C_r为材料参数，电子为5×10¹⁸cm²/(Vs)，空穴为5×10¹⁹cm²/(Vs)；

C_s为材料参数，电子为3.43×10²⁰cm²/(Vs)，空穴为6.1×10²⁰cm²/(Vs)；

α为材料参数，电子为1，空穴为1；

γ为材料参数，电子为2，空穴为2；

T为热力学温度，T₀为室温273K；

类型三:Caughey-Thomas模型：由于载流子的迁移率不仅与掺杂浓度有关，而且与电场强度有关，因此通过Caughey-Thomas模型描述电场对载流子迁移率的影响，如下所示：

其中:μ_low表示低电场迁移率，ε依赖于温度如下式所示：

其中:t表示晶格温度并且t₀＝300K；

S2：分析双凹槽阶梯缓冲栅4H-SiC金属半导体场效应管的饱和电流密度和击穿电压，包括如下两步：

S21：分析饱和电流密度，包括如下小步：

S211：测试模型的饱和漏极电流曲线，确定最大饱和漏极电流密度；

S212：描绘模型内部电子流动轮廓，确定P缓冲层引入的两个凹槽后的沟道宽度、总沟道横截面宽度和提供电流大小；

S22：分析击穿电压，包括如下小步：

S221：测试漏极电流、栅极泄漏电流密度描述的击穿特性，在相同的栅极偏置电压下，确定漏极电流、栅泄漏电流密度同时急剧增加时的击穿电压；

S222：分析集中在栅极和漏极之间的二维电场线轮廓，确定出现在栅极和漏极间场板的左边缘附近的峰值，确定P缓冲层引入的两个凹槽的电场线分布情况和击穿电压；

S23：根据饱和电流密度和击穿电压，进而得出最大输出功率密度如下式所示：

其中：P_m为最大输出功率密度，I_s为饱和漏极电流密度，V_b为漏极击穿电压，V_k为拐点电压。