搜索

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

栅漏间表面外延层对4H-SiC功率MESFET击穿特性的改善机理与结构优化

宋坤 柴常春 杨银堂 张现军 陈斌

引用本文:
Citation:

栅漏间表面外延层对4H-SiC功率MESFET击穿特性的改善机理与结构优化

宋坤, 柴常春, 杨银堂, 张现军, 陈斌

Improvement in breakdown characteristics of 4H-SiC MESFET with a gate-drain surface epi-layer and optimization of the structure

Song Kun, Chai Chang-Chun, Yang Yin-Tang, Zhang Xian-Jun, Chen Bin
PDF
导出引用
  • 本文提出了一种带栅漏间表面p型外延层的新型MESFET结构并整合了能精确描述4H-SiC MESFET工作机理的数值模型,模型综合考虑了高场载流子饱和、雪崩碰撞离化以及电场调制等效应. 利用所建模型分析了表面外延层对器件沟道表面电场分布的改善作用,并采用突变结近似法对p型外延层参数与器件输出电流(Ids)和击穿电压(VB)的关系进行了研究.结果表明,通过在常规MESFET漏端处引入新的电场峰来降低栅极边缘的强电场峰并在栅漏之间的沟道表面引入p-n结内建电场进一步降低电场峰值,改善了表面电场沿电流方向的分布.通过与常规结构以及场板结构SiC MESFET的特性对比表明,本文提出的结构可以明显改善SiC MESFET的功率特性.此外,针对文中给定的器件结构,获得了优化的设计方案,选择p型外延层厚度为0.12 upm,掺杂浓度为5 1015 cm-3,可使器件的VB提高33%而保持Ids基本不变.
    A novel SiC MESFET structure with a p-type surface epi-layer is proposed and 4H-SiC MESFET models are presented which precisely describe the working mechanism of the device. Considering carrier velocity saturation, impact ionization and electric field modulation, the effect on distribution of electric field is analyzed. Also, the output current (Ids) and breakdown voltage (VB) dependences on the dimensions of the p-type epi-layer are studied based on abrupt junction approximation. The high electric field peak at the gate edge is suppressed by introducing a new electric field peak at the drain side, and the built-in field of p-n junction formed along channel surface further weakens the electric field peaks, leading to smoother distribution of electric field. By comparison with the conventional and the fieldplated MESFETs, it is shown that the proposed structure greatly improves the characteristic of SiC MESFET. In addition, the optimized dimensions are obtained and the results show that VB is greatly increased by 33% with Ids unchanged (less than 3%) when the thickness and the doping concentration of the surface epi-layer are chosen as 0.12 upm and 5 1015 cm-3, respectively.
    • 基金项目: 国家部委预研项目(批准号:51308030201)资助的课题.
    • Funds: Project supported by the Pre-research Foundation of China.(Grant No.51308030201).
    [1]

    Baliga B J 1989 IEEE Electron Dev. Lett. 51 149

    [2]

    Andersson K, Südow M, Nilsson P-fiA, Sveinbjörnsson E, Hjelmgren H, Nilsson J, Stfiahl J, Zirath H, Rorsman N 2006 IEEE Electron Dev. Lett. 27 573

    [3]

    Lü H L, Zhang Y M, Zhang Y M, Che Y, Wang Y H, Chen L 2008 Acta Phys. Sin. 57 2871 (in Chinese) [吕红亮, 张义门, 张玉明, 车勇, 王悦湖, 陈亮 2008 物理学报 57 2871]

    [4]

    Lü H L, Zhang Y M, Zhang Y M, Che Y, 2008 Chin Phys. B 17 1674

    [5]

    Zhang L, Zhang YM, Zhang YM, Han C,Ma Y J 2009 Acta Phys. Sin. 58 2737 (in Chinese) [张林, 张义门, 张玉明, 韩超, 马永吉 2009 物理学报 58 2737]

    [6]

    Cao Q J, Zhang Y M, Zhang Y M 2009 Chin. Phys. B 18 4456

    [7]

    Chen G, Qin Y F, Bai S, Wu P, Li Z Y, Chen Z, Han P 2010 Sol. St. Electr. 54 353

    [8]

    Deng X C, Zhang B, Zhang Y R,Wang Y, Li Z J 2011 Chin. Phys. B 20 017304

    [9]

    Baliga B J 1996 Power Semiconductor Devices

    [10]

    Cha H Y, Choi Y C, Eastman L F 2004 Int. J. HighSpeed Electron. Syst. 14 884

    [11]

    Sriram S, Hagleitner H, Namishia D 2009 IEEE Electron Dev. Lett. 30 952

    [12]

    Stengl R, Gösele U 1985 IEDM Tech. Dig. 154

    [13]

    Seshadri S, Eldridge GW, Agarwal A K 1998Appl. Phys. Lett. 72 2026

    [14]

    Roschke M, Schwierz F 2001 IEEE Trans. Electr. Dev. 48 1442

    [15]

    Lü H L, Zhang Y M, Zhang Y M, Yang L A 2004 IEEE Trans. Electr. Dev. 51 1605

    [16]

    Thornber K K 1981 J. Appl. Phys. 52 279

    [17]

    Konstantinov A O, Wahab Q, Nordell N, Lindefelt U 1997 Appl. Phys. Lett. 71 90

    [18]

    Bergman J P, Kordina O, Janzén E 1997 Phys. Stat. Sol. 162 65

    [19]

    Liu E K, Zhu B S, Lou J S 1994 Physics of Semiconductors (Beijing: National Defence Industry Press) (in Chinese) [刘恩科, 朱秉升, 罗晋生 1994 半导体物理学 (北京: 国防工业出版社)]

    [20]

    Levinshtein E M, Palmour J W, Rumyantsev S L, Singh R 1998 Semicond. Sci. Technol. 13 1006

    [21]

    Grivickas P, Galeckas A, Linnros J, Syvajarvi M, Yakimova R, Grivickas V, Tellefsen J A 2001 Mater. Sci. in Semiconductor Processing. 4 191

    [22]

    DESSIS-ISE Manual Ver. 10.0, ISE

    [23]

    Huang M W, Goldman N, Chang C H, Mayergoyz I, McGarrity J M, Woolard D 1998 J. Appl. Phys. 84 2065

  • [1]

    Baliga B J 1989 IEEE Electron Dev. Lett. 51 149

    [2]

    Andersson K, Südow M, Nilsson P-fiA, Sveinbjörnsson E, Hjelmgren H, Nilsson J, Stfiahl J, Zirath H, Rorsman N 2006 IEEE Electron Dev. Lett. 27 573

    [3]

    Lü H L, Zhang Y M, Zhang Y M, Che Y, Wang Y H, Chen L 2008 Acta Phys. Sin. 57 2871 (in Chinese) [吕红亮, 张义门, 张玉明, 车勇, 王悦湖, 陈亮 2008 物理学报 57 2871]

    [4]

    Lü H L, Zhang Y M, Zhang Y M, Che Y, 2008 Chin Phys. B 17 1674

    [5]

    Zhang L, Zhang YM, Zhang YM, Han C,Ma Y J 2009 Acta Phys. Sin. 58 2737 (in Chinese) [张林, 张义门, 张玉明, 韩超, 马永吉 2009 物理学报 58 2737]

    [6]

    Cao Q J, Zhang Y M, Zhang Y M 2009 Chin. Phys. B 18 4456

    [7]

    Chen G, Qin Y F, Bai S, Wu P, Li Z Y, Chen Z, Han P 2010 Sol. St. Electr. 54 353

    [8]

    Deng X C, Zhang B, Zhang Y R,Wang Y, Li Z J 2011 Chin. Phys. B 20 017304

    [9]

    Baliga B J 1996 Power Semiconductor Devices

    [10]

    Cha H Y, Choi Y C, Eastman L F 2004 Int. J. HighSpeed Electron. Syst. 14 884

    [11]

    Sriram S, Hagleitner H, Namishia D 2009 IEEE Electron Dev. Lett. 30 952

    [12]

    Stengl R, Gösele U 1985 IEDM Tech. Dig. 154

    [13]

    Seshadri S, Eldridge GW, Agarwal A K 1998Appl. Phys. Lett. 72 2026

    [14]

    Roschke M, Schwierz F 2001 IEEE Trans. Electr. Dev. 48 1442

    [15]

    Lü H L, Zhang Y M, Zhang Y M, Yang L A 2004 IEEE Trans. Electr. Dev. 51 1605

    [16]

    Thornber K K 1981 J. Appl. Phys. 52 279

    [17]

    Konstantinov A O, Wahab Q, Nordell N, Lindefelt U 1997 Appl. Phys. Lett. 71 90

    [18]

    Bergman J P, Kordina O, Janzén E 1997 Phys. Stat. Sol. 162 65

    [19]

    Liu E K, Zhu B S, Lou J S 1994 Physics of Semiconductors (Beijing: National Defence Industry Press) (in Chinese) [刘恩科, 朱秉升, 罗晋生 1994 半导体物理学 (北京: 国防工业出版社)]

    [20]

    Levinshtein E M, Palmour J W, Rumyantsev S L, Singh R 1998 Semicond. Sci. Technol. 13 1006

    [21]

    Grivickas P, Galeckas A, Linnros J, Syvajarvi M, Yakimova R, Grivickas V, Tellefsen J A 2001 Mater. Sci. in Semiconductor Processing. 4 191

    [22]

    DESSIS-ISE Manual Ver. 10.0, ISE

    [23]

    Huang M W, Goldman N, Chang C H, Mayergoyz I, McGarrity J M, Woolard D 1998 J. Appl. Phys. 84 2065

  • [1] 刘远峰, 李斌成, 赵斌兴, 刘红. SiC光学材料亚表面缺陷的光热辐射检测. 物理学报, 2023, 72(2): 024208. doi: 10.7498/aps.72.20221303
    [2] 邓旭良, 冀先飞, 王德君, 黄玲琴. 石墨烯过渡层对金属/SiC接触肖特基势垒调控的第一性原理研究. 物理学报, 2022, 71(5): 058102. doi: 10.7498/aps.71.20211796
    [3] 于子恒, 马春红, 白少先. SiC表面圆环槽边缘效应实验研究. 物理学报, 2021, 70(4): 044702. doi: 10.7498/aps.70.20201303
    [4] 黄毅华, 江东亮, 张辉, 陈忠明, 黄政仁. Al掺杂6H-SiC的磁性研究与理论计算. 物理学报, 2017, 66(1): 017501. doi: 10.7498/aps.66.017501
    [5] 卢吴越, 张永平, 陈之战, 程越, 谈嘉慧, 石旺舟. 不同退火方式对Ni/SiC接触界面性质的影响. 物理学报, 2015, 64(6): 067303. doi: 10.7498/aps.64.067303
    [6] 杨帅, 汤晓燕, 张玉明, 宋庆文, 张义门. 电荷失配对SiC半超结垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管击穿电压的影响. 物理学报, 2014, 63(20): 208501. doi: 10.7498/aps.63.208501
    [7] 高尚鹏, 祝桐. 基于自洽GW方法的碳化硅准粒子能带结构计算. 物理学报, 2012, 61(13): 137103. doi: 10.7498/aps.61.137103
    [8] 贺平逆, 吕晓丹, 赵成利, 宁建平, 秦尤敏, 苟富均. F原子与SiC(100)表面相互作用的分子动力学模拟. 物理学报, 2011, 60(9): 095203. doi: 10.7498/aps.60.095203
    [9] 韩茹, 樊晓桠, 杨银堂. n-SiC拉曼散射光谱的温度特性. 物理学报, 2010, 59(6): 4261-4266. doi: 10.7498/aps.59.4261
    [10] 张勇, 张崇宏, 周丽宏, 李炳生, 杨义涛. 氦离子注入4H-SiC晶体的纳米硬度研究. 物理学报, 2010, 59(6): 4130-4135. doi: 10.7498/aps.59.4130
    [11] 张云, 邵晓红, 王治强. 3C-SiC材料p型掺杂的第一性原理研究. 物理学报, 2010, 59(8): 5652-5660. doi: 10.7498/aps.59.5652
    [12] 黄维, 陈之战, 陈博源, 张静玉, 严成锋, 肖兵, 施尔畏. 氢氟酸刻蚀对Ni/6H-SiC接触性质的作用. 物理学报, 2009, 58(5): 3443-3447. doi: 10.7498/aps.58.3443
    [13] 马格林, 张玉明, 张义门, 马仲发. SiC表面C 1s谱最优拟合参数的研究. 物理学报, 2008, 57(7): 4125-4129. doi: 10.7498/aps.57.4125
    [14] 马格林, 张玉明, 张义门, 马仲发. SiC外延层表面化学态的研究. 物理学报, 2008, 57(7): 4119-4124. doi: 10.7498/aps.57.4119
    [15] 郜锦侠, 张义门, 汤晓燕, 张玉明. C-V法提取SiC隐埋沟道MOSFET沟道载流子浓度. 物理学报, 2006, 55(6): 2992-2996. doi: 10.7498/aps.55.2992
    [16] 杨林安, 张义门, 于春利, 张玉明. SiC功率金属-半导体场效应管的陷阱效应模型. 物理学报, 2003, 52(2): 302-306. doi: 10.7498/aps.52.302
    [17] 吕红亮, 张义门, 张玉明. 4H-SiC pn结型二极管击穿特性中隧穿效应影响的模拟研究. 物理学报, 2003, 52(10): 2541-2546. doi: 10.7498/aps.52.2541
    [18] 尚也淳, 刘忠立, 王姝睿. SiC Schottky结反向特性的研究. 物理学报, 2003, 52(1): 211-216. doi: 10.7498/aps.52.211
    [19] 姜振益, 许小红, 武海顺, 张富强, 金志浩. SiC多型体几何结构与电子结构研究. 物理学报, 2002, 51(7): 1586-1590. doi: 10.7498/aps.51.1586
    [20] 杨林安, 张义门, 龚仁喜, 张玉明. 4H-SiC射频功率MESFET的自热效应分析. 物理学报, 2002, 51(1): 148-152. doi: 10.7498/aps.51.148
计量
  • 文章访问数:  5828
  • PDF下载量:  453
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2011-06-14
  • 修回日期:  2011-09-27
  • 刊出日期:  2012-01-05

/

返回文章
返回