4H-SiC MESFET直流I-V特性解析模型

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摘 要：提出一种改进的4h-sic mesfet非线性直流解析模型,该模型基于栅下电荷的二维分布进行分析,在分析电场相关迁移率、速度饱和的基础上,考虑沟道长度调制效应对饱和区漏电流的影响,建立基于物理的沟道长度调制效应模型,模拟结果与实测的i-v特性较为吻合。在器件设计初期，可以有效地预测器件的工作状态。

关键词：4H-SiC；射频功率MESFET；I-V特性；解析模型

中图分类号：TN386 文献标识码：B

文章编号：1004-373X(2008)10-024-03

An Analytical Model of I-V Characteristics of 4H-SiC MESFET

REN Xuefeng,YANG Yintang,JIA Hujun

(Key Lab of Ministry of Education for Wide Band-Gap Semiconductor Materials and Devices,Insti of Microele,Xidian University,Xi′an,710071,China)

Abstract：An improved analytical model for 4H-SiC MESFET is developed,which is based on an analysis of the 2-D distribution of charges under the gate,with field-dependence mobility,velocity saturation and channel-length modulation effects taken into consideration.Simulation results show that the model with channel-length modulation effects match the measured I-V characteristics in the saturation region.In the initial design of device,the work state can be predicted effictive.

Keywords：4H-SiC;RF MESFET;I-V characteristics;analytical model

SiC是一种宽禁带半导体,有许多值得关注的物理特性和电特性,具有禁带宽度大（3.2 eV）、临界击穿电场强度高（2~4×106 V/cm）、热导率高（4.9 W/cm•K）、载流子饱和速率高（2×107 cm/s）等优越特性。Chatty等[1]研制的MOSFET的击穿电压达到了1200 V,而Agarwal等[2]研制的4H-SiC UMOSFET的击穿电压达到了1 400 V,制备的4H-SiC MESFET的工作频率最高已达20 GHz ［3],表明SiC功率器件在高温、高频、大功率、光电子及抗辐射等方面具有巨大的应用潜力。

高功率应用中的短栅4H-SiC MESFET,高场下的电子迁移率变化和沟道调制效应对饱和区的电流有较大影响。本文在SiC MESFET解析模型[4，5]的基础上,考虑高场下载流子速度饱和的情形并计入沟道调制效应的影响,从而使建立的模型更加精确。

1 电子的速度-电场关系

迁移率和速度-电场关系是影响器件I-V特性、开关速度及工作频率的主要因素。在低场条件下,常用的低场迁移率经验模型为：

ИЕ0 = μmin + μmax -μmin 1 + (N + d Nref )α[JY]（1）И

式中,N+d是离化杂质浓度；μmax，μmin，α和Nref是经验拟合参数。在300K时 ［6],μmin=40 cm2/Vs,μmax=950 cm2/Vs,α=0.76和Nref=2×1017cm-3。И

本文采用改进的多参数速场关系模型[4],可以描述其在高场工作下的峰值速度,并研究了高场下的电子迁移率变化,模型的计算结果与MC（蒙特卡罗）仿真结果吻合：

Иv(E)=μ1E+μ0E(EE0)θ+25vsat(EE1)η1+(EE0)θ+(EE1)η[JY](2)И

其中,vsat=vmax1+0.6exp(T/600 K)。

式（2）中,vsat是饱和速率；E（x）是电场强度；μ1,E0,E1,θ,η是反映高场下峰值速度、峰值电场强度、饱和区速场关系变化的拟合因子。在300 K时：

μ1 =μ0×0.17 cm2/Vs,E0=3.05×104 V/cm,E1=2.8×105 V/cm,θ=-2,η=3,Vmax=4.8×107cm/s。

器件的栅长和沟道外延层的掺杂浓度对器件的速场关系也有很大的影响。栅长越短,载流子越容易达到饱和速度,进而对漏电流产生很大影响。沟道外延层的掺杂浓高,影响了一些重要的器件参数如沟道迁移率的大小,饱和漏电流就越大。

2 I-V特性解析模型

本文以文献［5］的器件结构及测试数据为分析依据,如图2所示,4H-SiC MESFET为N沟非对称栅结构,具体的结构参数和建模所需的基本参数[6]见表1。

实验表明,当漏电压达到一定的值时,速度饱和区将强烈地渗透到栅区中去,即在沟道未被夹断以前,载流子速度已经达到饱和。为了简化分析模型,采用两区模型分析沟道中载流子的I-V特性: 在低电场下,迁移率取作常数,速度随E（x）呈线性变化直到某一临界电场Es,当电场高于Es时,速度达到饱和,将其取作常数。И

[JZ(]图1 多参数模型、经验模型、MC模拟和な笛橹[5]的速场关系（300 K）

图2 N型 4H-SiC MESFET剖面图

2.1 载流子速度非饱和区中漏极I-V特性

对于较低的漏点压,沟道内载流子的速度未达到饱和,且栅电压未使器件沟道夹断。此时,距源x处的耗尽层宽度由突变结式（2）表示:

Иh={2εs［V(x)+Vg+Vbi］/qNd}1/2[JY](3)И

Vbi为自建势；V（x）是距源x处的外加漏电压。对于N沟器件,栅电压相对于源为负,在式（3）及以后的方程中,均采用Vgs的绝对值。И

I区中的沟道电流可表示为：

ИIds = Ip ［3(u2d -u20 )-2(u3d -u30 )］1 + Z(u2d -u20 )[JY](4)И

其中,u0=h0a=Vg+VbiVp和ud=hda=Vd+Vg+VbiVp分别表示源端和漏端的归一化耗尽层宽度；Vp = qN + d a22ε表示器件的夹断电压； Z = qN + d μ0 a22εLvsat 为低场漂移速度与饱和速度的比值；Ip = q2N + d 2μ0 Wa26εL。И

2.2 速度饱和区中漏极I-V特性

在栅极很短的情况下,随着漏极偏置电压的增加,电子的速度达到饱和。此时,沟道电流达到饱和值,可表示为：

ИIds = qvsat Wa(1-us )N + d [JY](5)И

其中,hs是速度达到饱和时的耗尽层的厚度；us是速度达到饱和时的耗尽层的归一化厚度；vsat为电子的饱和速度。

联立式（4）和（5）可得LsУ谋泶锸,表示在该处电子速度达到饱和：

ИLs = ZL(u2s -u20 )-23(u3s -u30 )［1 + Z(u2s -u20 )］(1-us )[JY](6)И

由于在饱和区,沟道内的电场速度达到饱和值,根据长沟道器件理论,认为由漏电压引起的耗尽区宽度是在漏端向源极和漏极等距离扩展[7],可求得该扩展的距离ΔL：

ИЕL = 12［2εqN + d (Vds -Vdsat)］1/2[JY](7)И

在以后的计算中用等效沟道长度Leff=L+ΔL代替原沟道长度。对于给定的沟道电流Ids,可通过对纵向电场从x=0到x=LЩ分得到从源极到漏极的电压降。

ИVd = Vp (u2s -u20 ) + 2Es aus πsin h［π(Leff -Ls )2aus ］[JY](8)И

第一项为区I的电压降,第二项为区Ⅱ的电压降,纵向电场取决于漏电极上的自由电荷；Es由式（2）在饱和速度时求得。

当Vgs,Vds已知时,将方程（6）和（8）联立即可消去Ls并求解得us,进而可由公式得到Ids。这样,就得到了全区域的漏极电流-电压特性。И

本文综合考虑器件在高场下载流子速度饱和的情形及沟道调制效应的影响,在饱和区,对饱和电流进行了修正,使得饱和区的电流更接近于实验值,从而使建立的模型更加精确。

对饱和区的饱和电流公式修正为：

ИIds = qvsat Wa(1-us )N + d ［1 + Atan h(λVds)(1 + BVds )］[JY](9)И

式(9)中,λ是器件的沟道调制系数;A,B为经验拟合参数,随栅压、漏压变化明显。在本文的结构中,A=0.108 6,B=0.019 3。利用Matlab计算得到的I-V曲线如图3所示。

3 结 语

由于SiC材料的物理机理尚不明确,如SiC材料在常温下不完全电离、器件大电流工作使沟道升温引起的自热效应、隔离层引起的界面陷阱和体陷阱效应等,对器件特性也有一定的影响。本文在已有的解析模型基础上,考虑饱和区沟道调制效应的影响,最后对饱和区电流进行经验修正,使之更符合实际情形,使I-V特性能更好的反映实际情况。在器件设计初期,可以有效预测器件的工作状况,指导器件的设计工作。

图3 4H-SiC MESFET直流I-V特性（T=300 K）

[WTHZ]表1 4H-SiC N沟MESFET结构和计算参数[WTBZ]

参数 /300 K[]符号[]数值

沟道掺杂浓度[]Nd[]1.4×1017 cm-3

参 考 文 献[HJ*2]

［1］Chatty K,Banerjee S,Chow T P,et al.Improved High-Voltage Lateral RESURF MOSFETs in 4H-SiC［J］.IEEE Electron Device Letters,2001,22(5):209-211.

［2］Agarwal A K,Casady J B,Rowland L B,et al.1400 V 4H-SiC Power MOSFET′s［Z］.Materials Science Forum,1998:989-992.

［3］Manabu A,Hirotake H,Shuichi O,et al.Development of High-frequency SiC-MESFET′s［J］.Elec.and Commun.in Japan,2003,86(11):1-10.

［4］Lv Hongliang,Zhang Yimen,Zhang Yuming,et al.Analytic Model of I-V Characteristics of 4H-SiC MESFET′s Based on Multiparameter Mobility Model［J］.IEEE Trans.Elec.Dev.,2004,51(7):1 065-1 068.

［5］Siriex D,Noblanc O,Barataud D,et al.A CAD-oriented Nonlinear Model of SiC MESFET Based on Pulsed I(V),Pulsed S-Parameters Measurements\[J\].IEEE Trans.Electron Devices,1999,46(3):580-584.

［6］杨林安,张义门,吕红亮,等.4H- SiC.射频功率MESFET大信号直流I-V特性解析模型\[J\].半导体学报,2001,22(9):1 160-1 163.

［7］陈星弼,唐茂成.晶体管原理设计［M］.成都：成都电讯工程学院出版社,1985.

［8］Murray S P,Roenker K P.An Analytical Model for SiC MESFETs［J］.Sol.Sta.Elec.,2002,46(10):1495-1505.

［9］Roschke M,Schwierz F.Electron Mobility Models for 4H,6H and 3C SiC［J］.IEEE Trans.Elec.Dev.,2001,48(7): 1442-1447.

作者简介 任学峰 男，1982年出生,硕士研究生。主要研究方向为SiC射频器件及电路的大信号模型。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。