[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

说明书

本发明涉及一种双凹槽阶梯缓冲栅4H‑SiC金属半导体场效应管及建模仿真方法，属于功率半导体器件技术领域。本发明包括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，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。本发明在P型缓冲层上方引入双凹槽，这大幅提高了饱和电流密度；优化了电场线分布，击穿电压出现近10％的提高；最终，使得功率密度获得55％的大幅改善。

技术领域

本发明涉及一种双凹槽阶梯缓冲栅4H-SiC金属半导体场效应管及建模仿真方法，属于功率半导体器件技术领域。

背景技术

碳化硅(SiC)由于其出色的电性能(例如，带隙宽，高饱和电子迁移率和高导热率)而受到了广泛的关注。它已被广泛用于极端高温，高功率和高辐射的环境中。基于4H-SiC的MESFET(4H-SiC MESFET)在高功率应用中占有极为地位，并且已成为近年来的研究热点。但是，在现有技术中，取得的成果是仅仅漏极电流密度或击穿电压略微增加，甚至为改善前述两者的一方面须牺牲另一方面性能，因为电流密度和击穿电压间存在着一种相互制约关系，这限制了功率密度的有效改善。现有技术公开了一种阶梯缓冲栅结构4H-SiC MESFET(SBG 4H-SiC MESFET)，该结构具有突出的击穿特性，但电流密度略微下降。因此，研究人员仍需寻找尽可能提高击穿电压和饱和漏极电流密度的潜在方法(最好两者同时获得改善)，以满足对功率密度不断提高的需求。

发明内容

针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种双凹槽阶梯缓冲栅4H-SiC金属半导体场效应管及建模仿真方法，能够同时获得改善击穿电压和饱和漏极电流密度。

本发明所述的双凹槽阶梯缓冲栅4H-SiC金属半导体场效应管，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。

优选地，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。

优选地，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。

优选地，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。

优选地，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。

本发明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，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：