1、碳化硅(SiC)是第三代半導(dǎo)體材料的典型代表，也是目前晶體生長(zhǎng)技術(shù)和器件制造水平最成熟、應(yīng)用最廣泛的寬禁帶半導(dǎo)體材料之一。與傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料Si和GaAs相比，SiC材料具有大禁帶寬度、高臨界擊穿電場(chǎng)、高電子飽和漂移速度以及高熱導(dǎo)率等優(yōu)良物理特性，是高溫、高頻、抗輻照、大功率應(yīng)用場(chǎng)合下極為理想的半導(dǎo)體材料。在微波大功率器件領(lǐng)域，具有高功率密度和高溫可靠性的4H-SiCMESFETs器件是極具潛力的競(jìng)爭(zhēng)者，在固態(tài)微波通訊系統(tǒng)和相控陣?yán)走_(dá)等領(lǐng)

2、域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而SiC MESFETs器件存在的自熱效應(yīng)和陷阱效應(yīng)嚴(yán)重影響器件工作穩(wěn)定性，降低了器件輸出功率密度，制約其進(jìn)一步發(fā)展。 本文對(duì)4H-SiC MESFETs器件的功率特性和頻率特性等進(jìn)行研究，提出源場(chǎng)板SiC MESFETs器件新結(jié)構(gòu)；在深入分析影響器件工作穩(wěn)定性的自熱效應(yīng)基礎(chǔ)上，建立了大柵寬SiC MESFETs器件三維電熱解析模型；并進(jìn)行多凹柵結(jié)構(gòu)SiC MESFETs器件的實(shí)驗(yàn)研究。主要工作包括：

3、 (1)提出源場(chǎng)板4H-SiC MESFETs器件新結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)通過(guò)將場(chǎng)板與源極直接相連，不僅削弱器件柵漏側(cè)柵極邊緣的電場(chǎng)強(qiáng)度，優(yōu)化了柵漏側(cè)的表面電場(chǎng)，提高器件擊穿電壓；而且場(chǎng)板與源極相連，使得場(chǎng)板與溝道電容轉(zhuǎn)變?yōu)槁┰捶答侂娙荩⒃谳敵稣{(diào)諧回路中被電感抵消掉，從而降低柵漏反饋電容，改善器件功率增益，克服了柵場(chǎng)板結(jié)構(gòu)引入額外柵漏反饋電容降低器件功率增益的缺點(diǎn)。數(shù)值分析結(jié)果表明，本文提出的源場(chǎng)板4H-SiC MESFETs器件新結(jié)構(gòu)比常

4、規(guī)結(jié)構(gòu)SiCMESFETs器件擊穿電壓提高66％，最大理論輸出功率密度提高73％，功率增益增加2.2dB。同時(shí)，本文新結(jié)構(gòu)與常規(guī)結(jié)構(gòu)SiC MESFETs工藝相兼容，這為提高SiC微波器件輸出功率提供了一種新選擇。 (2)提出大柵寬4H-SiC MESFETs三維電熱解析模型。在研究大柵寬SiC MESFETs電熱特性的基礎(chǔ)上，針對(duì)目前嚴(yán)重影響SiC微波器件性能穩(wěn)定性的自熱效應(yīng)，建立了一個(gè)精確且簡(jiǎn)化的大柵寬SiC MESFETs

5、器件電熱解析模型。該模型從固體三維線性熱傳導(dǎo)方程出發(fā)，通過(guò)求解器件穩(wěn)態(tài)情況下的拉普拉斯方程，獲得器件表面溫度分布的解析模型。通過(guò)與大信號(hào)三區(qū)解析模型的聯(lián)立耦合求解，計(jì)算出器件表面各柵指的溫度分布。該電熱解析模型給出了器件表面峰值溫度分布與結(jié)構(gòu)參數(shù)(如柵指間距、襯底厚度)和偏置關(guān)系(如漏極電壓、柵極電壓)的解析表達(dá)式。模擬分析結(jié)果表明，本文建立的三維電熱解析模型計(jì)算的器件表面各柵指峰值溫度分布與二維數(shù)值仿真結(jié)果基本一致。該電熱解析模型有助

6、于器件設(shè)計(jì)者進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，從而抑制大柵寬器件自熱效應(yīng)的影響，提高器件工作穩(wěn)定性。 (3)大柵寬4H-SiC MESFETs多凹柵器件結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)研究。基于目前國(guó)內(nèi)SiC工藝加工平臺(tái)，設(shè)計(jì)制作了多凹柵結(jié)構(gòu)SiC MESFETs器件。該器件通過(guò)多凹槽結(jié)構(gòu)削弱柵下峰值電場(chǎng)強(qiáng)度，增加了器件柵漏擊穿電壓。在仿真分析基礎(chǔ)上，合理設(shè)計(jì)了多凹槽刻蝕工藝流程和5mm柵寬SiC MESFETs器件版圖，成功進(jìn)行了工藝實(shí)驗(yàn)。在S波段2GHz脈沖狀態(tài)下，獲得

7、最大輸出功率為13.5W，增益11.3dB，功率附加效率50％，輸出脈沖頂降小于0.5bB的多凹柵結(jié)構(gòu)SiC MESFETs器件。同時(shí)，對(duì)影響器件性能的幾個(gè)關(guān)鍵工藝步驟(源漏電極的歐姆接觸電阻、柵凹槽刻蝕和空氣橋)進(jìn)行了工藝研究。通過(guò)矩形傳輸線測(cè)試方法，獲得源漏電極的比接觸電阻率為1.05x10-6Ω.cm2。實(shí)驗(yàn)測(cè)量多凹柵結(jié)構(gòu)SiC MESFETs器件柵漏擊穿電壓大于100V，而相同工藝下常規(guī)結(jié)構(gòu)器件柵漏擊穿電壓只有50V。

8、同時(shí)，本文對(duì)影響SiC MESFETs器件性能穩(wěn)定性的表面陷阱效應(yīng)和幾何尺寸效應(yīng)進(jìn)行了研究，詳細(xì)分析和討論了表面態(tài)能級(jí)和陷阱密度對(duì)器件IV性、轉(zhuǎn)移特性、跨導(dǎo)和瞬態(tài)響應(yīng)等特性的影響以及柵源、柵漏間距對(duì)器件直流和微波性能的影響。模擬分析結(jié)果表明，表面態(tài)降低了漏電流，使閾值電壓發(fā)生漂移，引起負(fù)跨導(dǎo)頻率色散等，嚴(yán)重影響器件性能穩(wěn)定性，降低了器件輸出功率和附加效率。而柵源間距相對(duì)于柵漏間距對(duì)SiC MESFETs器件性能具有更明顯的影響，通過(guò)減小