高功率密度SiC MESFETs器件與三維電熱解析模型研究

《高功率密度SiC MESFETs器件與三維電熱解析模型研究》是依託電子科技大學,由鄧小川擔任醒目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：高功率密度SiC MESFETs器件與三維電熱解析模型研究
• 依託單位：電子科技大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：鄧小川

項目摘要

本課題研究面向寬禁帶半導體SiC MESFETs固態微波功率器件所遇到的挑戰，在深入研究器件熱產生機理和模型的基礎上，開展SiC 器件的電學和熱學性能共同最佳化的設計方法研究。通過考慮各種材料熱導率隨溫度的變化，採用基爾霍夫變換的方法建立三維穩態電熱耦合解析模型。在此基礎上，對器件瞬態熱過程進行建模，研究不同電應力下器件的三維瞬態熱回響過程，為大柵寬器件的設計和製造提供理論依據和指導。同時進行P緩衝層漏電機理研究，提出研製高功率密度的圖形化P緩衝層SiC MESFETs器件新結構。通過抑制P緩衝層漏電效應，改善高頻特性，獲得高輸出功率密度的器件。開展高功率密度SiC MESFETs微波功率器件熱效應建模和新結構的理論與實驗研究，將為我國SiC核心固態微波功率器件的實用化奠定理論和技術基礎，對我國國防裝備的現代化建設具有重要意義。

結題摘要

寬禁帶半導體碳化矽（SiC）材料與傳統半導體材料Si、GaAs相比，具有輸出功率高、耐高溫、抗輻照等特點，能滿足下一代電子裝備對微波功率器件更大功率、更小體積和更惡劣條件下工作的要求，可以廣泛套用於固態微波通訊系統與民用無線基站、高清晰度電視發射機等。本項目針對目前大柵寬SiC MESFETs器件實用化過程中所遇到的熱效應嚴重衰退微波功率的可靠性問題，在深入研究大功率SiC MESFETs器件產熱和散熱機理的基礎上，結合器件熱學特性和電學特性的耦合過程、數值分析以及器件紅外溫度測試等手段，採用拉普拉斯和基爾霍夫變換等數學處理方法，建立了大柵寬SiC MESFETs微波功率器件電特性和熱特性相互耦合影響的三維電熱解析模型。該模型克服了通過求解載流子和聲子輸運特性進行半導體器件電－熱自洽分析和模擬需要漫長計算時間和寬禁帶半導體材料計算不收斂問題，實現了高效、準確的大柵寬SiC微波功率器件的電－熱耦合分析和器件結構熱設計。利用上述模型，開展了大柵寬SiC MESFETs器件電學和熱學性能共同最佳化的設計研究。通過對多柵指器件進行不均勻柵指間距設計，使得整個晶片的熱分布均勻一致，從而比最佳化前器件結構降低結溫10℃以上。 同時本項目開展了SiC MESFETs器件的P緩衝層（P-buffer）漏電效應研究，提出了多凹柵、階梯狀P緩衝層以及雙P型緩衝層的器件新結構。通過柵工程技術和圖形化P緩衝層技術的套用，調製了器件表面電場分布、抑制了溝道電子注入緩衝層的漏電效應以及短溝道效應和漏極勢壘降低效應，從而顯著改善器件頻率和擊穿特性。在所建立的電熱模型和新結構的指導下，通過流片實驗完成了雙P型緩衝層和多凹柵SiC MESFETs器件新結構的驗證研究。在3.1GHz下，雙P型緩衝層結構具有94W的脈衝輸出功率，而傳統結構只有80W輸出功率。研製的250μm柵寬的多凹柵SiC MESFETs器件在2GHz下，脈衝輸出功率密度達到8.9W/mm，是目前國內外文獻報導的最大輸出功率密度值。 綜上所述，通過對高功率密度SiC MESFETs器件三維熱效應、P緩衝層漏電效應的機理與模型以及熱分布與器件偏置條件、物理結構以及柵幾何尺寸之間的內在聯繫與規律等關鍵技術的研究，有效提高了器件微波功率特性，為我國SiC核心固態微波功率器件的自主實用化奠定了理論和技術基礎。