高功率密度SiC MESFETs器件与三维电热解析模型研究

本课题研究面向宽禁带半导体SiC MESFETs固态微波功率器件所遇到的挑战，在深入研究器件热产生机理和模型的基础上，开展SiC 器件的电学和热学性能共同优化的设计方法研究。通过考虑各种材料热导率随温度的变化，采用基尔霍夫变换的方法建立三维稳态电热耦合解析模型。在此基础上，对器件瞬态热过程进行建模，研究不同电应力下器件的三维瞬态热响应过程，为大栅宽器件的设计和制造提供理论依据和指导。同时进行P缓冲层漏电机理研究，提出研制高功率密度的图形化P缓冲层SiC MESFETs器件新结构。通过抑制P缓冲层漏电效应，改善高频特性，获得高输出功率密度的器件。开展高功率密度SiC MESFETs微波功率器件热效应建模和新结构的理论与实验研究，将为我国SiC核心固态微波功率器件的实用化奠定理论和技术基础，对我国国防装备的现代化建设具有重要意义。

宽禁带半导体碳化硅（SiC）材料与传统半导体材料Si、GaAs相比，具有输出功率高、耐高温、抗辐照等特点，能满足下一代电子装备对微波功率器件更大功率、更小体积和更恶劣条件下工作的要求，可以广泛应用于固态微波通讯系统与民用无线基站、高清晰度电视发射机等。. 本项目针对目前大栅宽SiC MESFETs器件实用化过程中所遇到的热效应严重衰退微波功率的可靠性问题，在深入研究大功率SiC MESFETs器件产热和散热机理的基础上，结合器件热学特性和电学特性的耦合过程、数值分析以及器件红外温度测试等手段，采用拉普拉斯和基尔霍夫变换等数学处理方法，建立了大栅宽SiC MESFETs微波功率器件电特性和热特性相互耦合影响的三维电热解析模型。该模型克服了通过求解载流子和声子输运特性进行半导体器件电－热自洽分析和模拟需要漫长计算时间和宽禁带半导体材料计算不收敛问题，实现了高效、准确的大栅宽SiC微波功率器件的电－热耦合分析和器件结构热设计。利用上述模型，开展了大栅宽SiC MESFETs器件电学和热学性能共同优化的设计研究。通过对多栅指器件进行不均匀栅指间距设计，使得整个芯片的热分布均匀一致，从而比优化前器件结构降低结温10℃以上。.同时本项目开展了SiC MESFETs器件的P缓冲层（P-buffer）漏电效应研究，提出了多凹栅、阶梯状P缓冲层以及双P型缓冲层的器件新结构。通过栅工程技术和图形化P缓冲层技术的应用，调制了器件表面电场分布、抑制了沟道电子注入缓冲层的漏电效应以及短沟道效应和漏极势垒降低效应，从而显著改善器件频率和击穿特性。在所建立的电热模型和新结构的指导下，通过流片实验完成了双P型缓冲层和多凹栅SiC MESFETs器件新结构的验证研究。在3.1GHz下，双P型缓冲层结构具有94W的脉冲输出功率，而传统结构只有80W输出功率。研制的250μm栅宽的多凹栅SiC MESFETs器件在2GHz下，脉冲输出功率密度达到8.9W/mm，是目前国内外文献报道的最大输出功率密度值。. 综上所述，通过对高功率密度SiC MESFETs器件三维热效应、P缓冲层漏电效应的机理与模型以及热分布与器件偏置条件、物理结构以及栅几何尺寸之间的内在联系与规律等关键技术的研究，有效提高了器件微波功率特性，为我国SiC核心固态微波功率器件的自主实用化奠定了理论和技术基础。