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-sicmesfet)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-sicmesfet(sbg4h-sicmesfet)，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。
技术实现要素：
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：
其中：t为晶格温度，eg(0)为在0k时的带隙宽度，α＝6.65×10-4ev/k,β＝1300k为材料参数，sic的eg(0)为3.23ev；
类型二：迁移率模型：当材料未掺杂时，迁移率是晶格温度的函数；在掺杂杂质之后，将导致半导体材料的载流子迁移率降低；因此，建立masetti模型以模拟迁移率对掺杂浓度的依赖性，如下所示：
其中：ni为离子化杂质的总浓度；
μmin1为载流子最低迁移率1，电子为88cm2/(vs)，空穴为44cm2/(vs)；
μmin2为载流子最低迁移率2，电子为0cm2/(vs)，空穴为0cm2/(vs)；
μ1为载流子迁移率1，电子为43.4cm2/(vs)，空穴为29cm2/(vs)；
pc为材料参数，电子为0cm2/(vs)，空穴为0cm2/(vs)；
cr为材料参数，电子为5×1018cm2/(vs)，空穴为5×1019cm2/(vs)；
cs为材料参数，电子为3.43×1020cm2/(vs)，空穴为6.1×1020cm2/(vs)；
α为材料参数，电子为1，空穴为1；
γ为材料参数，电子为2，空穴为2；
t为热力学温度，t0为室温273k；
类型三:caughey-thomas模型：由于载流子的迁移率不仅与掺杂浓度有关，而且与电场强度有关，因此通过caughey-thomas模型描述电场对载流子迁移率的影响，如下所示：
其中:μlow表示低电场迁移率，ε依赖于温度如下式所示：
其中:t表示晶格温度并且t0＝300k；
s2：分析双凹槽阶梯缓冲栅4h-sic金属半导体场效应管的饱和电流密度和击穿电压，包括如下两步：
s21：分析饱和电流密度，包括如下小步：
s211：测试模型的饱和漏极电流曲线，确定最大饱和漏极电流密度；
s212：描绘模型内部电子流动轮廓，确定p缓冲层引入的两个凹槽后的沟道厚度、总沟道横截面宽度和提供电流大小；
s22：分析击穿电压，包括如下小步：
s221：测试漏极电流、栅极泄漏电流密度描述的击穿特性，在相同的栅极偏置电压下，确定漏极电流、栅泄漏电流密度同时急剧增加时的击穿电压；
s222：分析集中在栅极和漏极之间的二维电场线轮廓，确定出现在栅极和漏极间场板的左边缘附近的峰值，确定p缓冲层引入的两个凹槽的电场线分布情况和击穿电压；
s23：根据饱和电流密度和击穿电压，进而得出最大输出功率密度如下式所示：
其中：pm为最大输出功率密度，is为饱和漏极电流密度，vb为漏极击穿电压，vk为拐点电压。
优选地，所述步骤s2的结论如下：
饱和电流密度：在p型缓冲层中引入的两凹槽有效增加漏极饱和电流密度；
击穿电压：在p型缓冲层中引入的两凹槽有效抑制击穿电压恶化。
最大输出功率密度：在p型缓冲层中引入的两凹槽有效提高功率密度。
优选地，所述步骤s2的模型仿真输出特性，参数如下：
饱和漏极电流从0.0016a/μm增加到0.0022a/μm，提高37.5％；
击穿电压不仅没有恶化，反而提高10％；
最大功率输出密度从31.4w/mm增大至48.7w/mm，显著提高55％。
本发明的有益效果是：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及建模仿真方法，在p型缓冲层上方引入双凹槽，大幅提高了饱和电流密度；同时，由于该结构优化了电场线分布，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。
附图说明
图1是现有技术的结构示意图。
图2是本发明的结构示意图。
图3是现有技术与本发明的饱和漏极电流曲线对比图。
图4(a)是现有技术的电子流动轮廓图。
图4(b)是本发明的电子流动轮廓图。
图5是现有技术与本发明的击穿特性对比图。
图6(a)是现有技术的二维电场分布图。
图6(b)是本发明的二维电场分布图。
图7是现有技术与本发明的电场分布对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
如图1和图2所示，现有技术(后面用sbgmesfet代指)和本发明(后面用sbg-mrmesfet代指)的示意图分别。此两个结构由下到上均由4h-sic半绝缘衬底层，p型缓冲层，n型沟道层，两个重掺杂的n型帽层以及在栅极和n型沟道之间的阶梯缓冲栅层组成。这两种结构之间的唯一区别是，在sbg-mrmesfet的p型缓冲层的顶部引入两个凹槽，即第一个凹槽位于栅极下方，第二个凹槽位于场板和漏极的下方。两凹槽的深度和长度相同，分别为0.15μm和1μm。两凹槽之间小台柱的长度(lch)为0.2μm。为了便于比较，仿真中使用的参数值相等，并在表1中列出。
表1两种器件结构仿真设置的仿真参数
表1两种器件结构仿真设置的仿真参数
为了确保仿真结果的准确性和真实性，模型的选择也非常重要。在模拟中应用的主要模型如下：
s1：构建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：
其中，t是晶格温度，eg(0)是在0k时的带隙宽度，α＝6.65×10-4ev/k,β＝1300k是材料参数，sic的eg(0)为3.23ev。
s2：构建迁移率模型：
当材料未掺杂时，迁移率是晶格温度的函数。在掺杂杂质之后，将导致半导体材料的载流子迁移率降低。因此，建立masetti模型以模拟迁移率对掺杂浓度的依赖性。
其中，ni表示离子化杂质的总浓度。在表2中给出了其它相关参数的特殊值。
表24h-sic的masettimodel的参数值
载流子迁移率不仅与掺杂浓度有关，而且与电场强度有关。caughey-thomas模型描述了电场对载流子迁移率的影响。
其中，μlow表示低电场迁移率，β依赖于温度如公式(5)所示：
其中:t表示晶格温度并且t0＝300k。
实施例2：
在本发明中，将在相同的结构参数情况下模拟仿真sbg-mr4h-sicmesfet和sbg4h-sicmesfet的输出特性，以便于进行比较。
图3显示了在vgs＝0v和vds＝40v的条件下的饱和漏极电流曲线。可以看出，sbg4h-sicmesfet的最大饱和漏极电流密度为0.0016a/μm，而sbg-mr4h-sicmesfet为0.0022a/μm，比sbg结构提高了37.5％。
图4(a)和图4(b)描绘了这两种结构的内部电子流动轮廓，图4(b)图中标明sbg-mr结构的电流密度明显高于图4(a)sbg结构的电流密度。产生这些差异的原因是，sbg-mr结构的p缓冲层引入的两个凹槽提供了更宽的沟道，即更大的总沟道横截面。这意味着与sbg结构相比，sbg-mr结构的电阻较低，从而可以提供更大的沟道电流。
如图5所示的sbg和sbg-mr结构的漏极电流密度和栅极漏电流密度描述的击穿特性。两种结构之间的漏极电流和栅极泄漏电流密度的输出比较是在相同的栅极偏置电压下进行的。可以看出，在sbgmesfet中，在vb＝197v时，漏极电流和栅泄漏电流密度同时急剧增加，表明此时发生击穿。相比之下，尽管增加了沟道厚度，但sbg-mr结构的击穿电压却提高了近10％。
图6(a)和图6(b)显示了sbg和sbg-mr结构中的二维电场线轮廓。可以看出，这两种结构的电场线主要集中在栅极和漏极之间，其峰值似乎出现在栅极和漏极间场板的左边缘，因此击穿发生于此处，因为场板具有汇集电场线的作用。
图7显示了sbg和sbg-mr结构在y＝0和y＝-0.2μm处的一维电场，以分析器件的击穿机理。可以看出，这两种结构在y＝0μm处有三个重要的峰值，分别位于栅极的右边角，p型缓冲层两个凹槽中间的小台柱上方和漏极的左边缘。然而，从y＝-0.2μm处的电场线可以看出，两种结构的最大峰值均位于场板的左边缘，说明击穿发生于此处。此外，尽管在场板的左边缘处的电场峰值没有降低，但是由于sbg-mesfet在p型缓冲层的顶部引入两个凹槽，所以在栅极右角处的电场峰值得以增大。这就意味着与sbg结构相比，sbg-mrmesfet的电场线分布更均匀，其击穿电压更大。
电场线曲线和x轴之间所围成的面积代表器件在击穿状态时的击穿电压。比较图中面积可以看出，sbg-mr结构的击穿电压大于sbg结构的击穿电压。因此，我们得出的结论是，sbg-mr结构显示出比sbg结构更好的击穿特性。
a类放大器的最大输出功率密度如公式(6)所示：
其中pm，is，vb和vk分别是最大输出功率密度，饱和漏极电流密度，漏极击穿电压和拐点电压。根据公式(6)，计算得出的sbgmesfet和sbg-mrmesfet的最大输出功率密度分别为31.4w/mm和48.7w/mm，增加了55％。pmax之所以增加是因为所提出结构的饱和漏极电流密度显着提高，并且击穿电压略有提高。因此，与sbg结构相比，本发明所提出的sbg-mr结构的功率密度大幅增加。
本发明所述的新型双凹槽阶梯缓冲栅4h-sicmesfet，该结构在p型缓冲层中引入的两凹槽可以增加漏极饱和电流密度，提高功率密度并抑制击穿电压恶化。因此，该器件的饱和漏极电流从0.0016a/μm增加到0.0022a/μm，最大功率输出密度从31.4w/mm增大至48.7w/mm，显著提高了55％。本发明所提出的新型sbg-mrmesfet及其模拟仿真结果将为功率半导体器件的研究提供有价值的参考。
本发明可广泛运用于功率半导体器件场合。
需要说明的是，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
1.一种双凹槽阶梯缓冲栅4h-sic金属半导体场效应管，其特征在于，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。
2.根据权利要求1所述的双凹槽阶梯缓冲栅4h-sic金属半导体场效应管，其特征在于，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。
3.根据权利要求1或2所述的双凹槽阶梯缓冲栅4h-sic金属半导体场效应管，其特征在于，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。
4.根据权利要求1所述的双凹槽阶梯缓冲栅4h-sic金属半导体场效应管，其特征在于，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。
5.根据权利要求1所述的双凹槽阶梯缓冲栅4h-sic金属半导体场效应管，其特征在于，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。
6.一种根据权利要求1-5任意一项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，其特征在于，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：
其中：t为晶格温度，eg(0)为在0k时的带隙宽度，α＝6.65×10-4ev/k,β＝1300k为材料参数，sic的eg(0)为3.23ev；
类型二：迁移率模型：当材料未掺杂时，迁移率是晶格温度的函数；在掺杂杂质之后，将导致半导体材料的载流子迁移率降低；因此，建立masetti模型以模拟迁移率对掺杂浓度的依赖性，如下所示：
其中：ni为离子化杂质的总浓度；
μmin1为载流子最低迁移率1，电子为88cm2/(vs)，空穴为44cm2/(vs)；
μmin2为载流子最低迁移率2，电子为0cm2/(vs)，空穴为0cm2/(vs)；
μ1为载流子迁移率1，电子为43.4cm2/(vs)，空穴为29cm2/(vs)；
pc为材料参数，电子为0cm2/(vs)，空穴为0cm2/(vs)；
cr为材料参数，电子为5×1018cm2/(vs)，空穴为5×1019cm2/(vs)；
cs为材料参数，电子为3.43×1020cm2/(vs)，空穴为6.1×1020cm2/(vs)；
α为材料参数，电子为1，空穴为1；
γ为材料参数，电子为2，空穴为2；
t为热力学温度，t0为室温273k；
类型三:caughey-thomas模型：由于载流子的迁移率不仅与掺杂浓度有关，而且与电场强度有关，因此通过caughey-thomas模型描述电场对载流子迁移率的影响，如下所示：
其中:μlow表示低电场迁移率，ε依赖于温度如下式所示：
其中:t表示晶格温度并且t0＝300k；
s2：分析双凹槽阶梯缓冲栅4h-sic金属半导体场效应管的饱和电流密度和击穿电压，包括如下两步：
s21：分析饱和电流密度，包括如下小步：
s211：测试模型的饱和漏极电流曲线，确定最大饱和漏极电流密度；
s212：描绘模型内部电子流动轮廓，确定p缓冲层引入的两个凹槽后的沟道宽度、总沟道横截面宽度和提供电流大小；
s22：分析击穿电压，包括如下小步：
s221：测试漏极电流、栅极泄漏电流密度描述的击穿特性，在相同的栅极偏置电压下，确定漏极电流、栅泄漏电流密度同时急剧增加时的击穿电压；
s222：分析集中在栅极和漏极之间的二维电场线轮廓，确定出现在栅极和漏极间场板的左边缘附近的峰值，确定p缓冲层引入的两个凹槽的电场线分布情况和击穿电压；
s23：根据饱和电流密度和击穿电压，进而得出最大输出功率密度如下式所示：
其中：pm为最大输出功率密度，is为饱和漏极电流密度，vb为漏极击穿电压，vk为拐点电压。
7.根据权利要求6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，其特征在于，所述步骤s2的结论如下：
饱和电流密度：在p型缓冲层中引入的两凹槽有效增加漏极饱和电流密度；
击穿电压：在p型缓冲层中引入的两凹槽有效抑制击穿电压恶化；
最大输出功率密度：在p型缓冲层中引入的两凹槽有效提高功率密度。
8.根据权利要求6所述的双凹槽阶梯缓冲栅4h-sic金属半导体场效应管及建模仿真方法，其特征在于，所述步骤s2的模型仿真输出特性，参数如下：
饱和漏极电流从0.0016a/μm增加到0.0022a/μm，提高37.5％；
击穿电压不仅没有恶化，反而提高10％；
最大功率输出密度从31.4w/mm增大至48.7w/mm，显著提高55％。
技术总结