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CN112436051A - 一种具有对称阶梯氧埋层的4H-SiC金属半导体场效应晶体管 - Google Patents

一种具有对称阶梯氧埋层的4H-SiC金属半导体场效应晶体管 Download PDF

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朱顺威
贾护军
董梦宇
王笑伟
杨银堂
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Xidian University
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Xidian University
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Abstract

本发明提供了一种具有对称阶梯氧埋层的4H‑SiC金属半导体场效应晶体管；包括：4H‑SiC半绝缘衬底(1)、P型缓冲层(2)、第一对称阶梯氧埋层(3)和第二对称阶梯氧埋层(4)、N型沟道层(5)；本发明由于对称阶梯状的氧埋层的存在，有效地避免了N型沟道层中电子向衬底泄露，提高了最大输出电流密度；阶梯状的氧化层，会使电场峰从栅极靠近漏极处分散到右侧阶梯氧化层的端点上，从而减弱了电场的聚集，使击穿电压得到提高。两个对称阶梯状的氧埋层和的介电常数低于4H‑SiC，有效地提高了截止频率和最大输出功率。通过仿真实验，优化了两个阶梯氧化层的结构参数，得到了使功率附加效率达到最高的阶梯氧化层参数。

Description

一种具有对称阶梯氧埋层的4H-SiC金属半导体场效应晶体管
技术领域
本发明涉及场效应晶体管技术领域，特别是一种具有对称阶梯氧埋层的4H-SiC金属半导体场效应晶体管。
背景技术
如今，随着器件尺寸的不断减小，工艺难度显着增加，功耗和非理想效应均显着。第一代半导体Si和其他材料的性能已接近其理论极限，而4H-SiC具有较宽的带隙(3.26eV)、高导热率(4.9W/(cm·K))、高击穿电场(4MV/cm)、低介电常数(9.7)，高电子饱和漂移速度(2.7×107cm/s)，并且与3C-SiC，6H-SiC，Si，GaAs相比具有优越的性能。基于4H-SiC的优异特性，4H-SiC金属半导体场效应晶体管(4H-SiC MESFET)将应用于各种半导体领域。
但是，目前对4H-SiC MESFET的研究主要包括击穿电压、饱和漏极电流、电子饱和漂移速度、频率特性等。有多种方法可以改善这些器件性能，例如使用双凹栅，凹缓冲器和扩散区，改变掺杂分布、绝缘体上硅(SOI)技术等，关于高效率4H-SiC MESFET器件的研究很少，研究多在于采用外围电路对晶体管进行调控与补偿，并没有从器件级的角度去设计提高器件的效率。
发明内容
本发明的目的是要提供一种泄漏电流减小、耐压增大、频率特性得到提升的一种具有对称阶梯氧埋层的4H-SiC金属半导体场效应晶体管，从而提高器件功率附加效率。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种具有对称阶梯氧埋层的4H-SiC金属半导体场效应晶体管，包括：4H-SiC半绝缘衬底1、P型缓冲层2、第一对称阶梯氧埋层3和第二对称阶梯氧埋层4、N型沟道层5；由于第一对称阶梯状的氧埋层3和第二对称阶梯状的氧埋层4的存在，有效地避免了N型沟道层中电子向衬底泄露，提高了最大输出电流密度；
所述N型沟道层5的上端面分别为源极帽层7和漏极帽层6；
所述源极帽层7的上端面设置源电极9，所述漏极帽层6上端面设置漏电极10；
所述N型沟道层5的上表面介于源极帽层7和漏极帽层6之间形成栅电极8；
所述第一对称阶梯氧埋层3和第二对称阶梯氧埋层4分别设置在所述N型沟道层5的内侧。
优选地，所述第一对称阶梯氧埋层3为凸字型，其上半部分宽度和高度分别为0.2-0.3μm和0.05-0.08μm，下半部分宽度和高度分别为0.3-0.5μm和0.05-0.08μm。
优选地，所述第二对称阶梯氧埋层4为凸字型，其上半部分宽度和高度分别为0.4-0.6μm和0.05-0.08μm，下半部分宽度和高度分别为0.8-1.0μm和0.05-0.08μm。
优选地，所述第一对称阶梯氧埋层3的上半部分与所述N型沟道层5的左侧边缘的距离为0.65μm，所述第一对称阶梯氧埋层3的下半部分与所述N型沟道层5左侧边缘的距离为0.6μm。
优选地，所述第二对称阶梯氧埋层4的上半部分与所述N型沟道层5的右侧边缘的距离为0.85μm，所述第二对称阶梯氧埋层4的下半部分与所述N型沟道层5的右侧边缘的距离为0.8μm。
优选地，所述第一对称阶梯氧埋层3和第二对称阶梯氧埋层4均为通过阶梯注氧，随后通过高温退火形成阶梯氧化层。
本发明具有以下优点：
(1)本发明所涉及的具有对称阶梯氧埋层的4H-SiC金属半导体场效应晶体管，泄漏电流减小：左侧阶梯氧化层和右侧阶梯氧化层的存在有效地避免了N型沟道层中电子向衬底泄露，提高了最大输出电流密度；同时两侧分布能保持栅极对电流的控制作用，有效地提高了电流的传导能力；
(2)本发明所涉及的具有对称阶梯氧埋层的4H-SiC金属半导体场效应晶体管，击穿电压提高：阶梯状的氧化层，会使电场峰从栅极靠近漏极处分散到右侧阶梯氧化层的端点上，从而减弱了电场的聚集，使击穿电压得到提高。
(3)本发明所涉及的具有对称阶梯氧埋层的4H-SiC金属半导体场效应晶体管，频率特性改善：N型沟道层(5)内侧下方的两个对称阶梯状的氧埋层(3)和(4)的介电常数低于4H-SiC,因此会使栅源电容和栅漏电容的值低于常规器件，有效地提高了截止频率和最大输出功率。
(4)本发明所涉及的具有对称阶梯氧埋层的4H-SiC金属半导体场效应晶体管，功率附加效率得到提高：通过仿真实验，优化了两个阶梯氧化层的结构参数，得到了使功率附加效率达到最高的阶梯氧化层参数。
附图说明
图1是本发明具有阶梯缓冲层结构的4H-SiC金属半导体场效应晶体管的结构示意图；
其中，1、4H-SiC半绝缘衬底；2、P型缓冲层；3、第一对称阶梯状的氧埋层；4、第二对称阶梯状的氧埋层；5、N型沟道层；6、漏极帽层；7、源极帽层；8、栅电极；9、源电极；10、漏电极。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。应当指出的是，以下的实施实例只是对本发明的进一步说明，但本发明的保护范围并不限于以下实施例。
实施例1
本实施例涉及一种具有对称阶梯氧埋层的4H-SiC金属半导体场效应晶体管，如图1所示：自下而上包括4H-SiC半绝缘衬底1、P型缓冲层2、第一对称阶梯氧埋层3和第二对称阶梯氧埋层4、N型沟道层5，N型沟道层5的左右两侧上方分别为源极帽层7和漏极帽层6，源极帽层7和漏极帽层6的上表面分别是源电极9和漏电极10，N型沟道层5上表面介于源极帽层7和漏极帽层6之间形成栅电极8，N型沟道层5内侧左下方是第一对称阶梯状的氧埋层3，N型沟道层内侧右下方是第二对称阶梯状的氧埋层4。所述N型沟道层5内侧下方的第一对称阶梯状的氧埋层3和第二对称阶梯状的氧埋层4，都是通过阶梯注氧，随后通过高温退火形成阶梯氧化层。N型沟道层5内侧左下方第一对称阶梯状的氧埋层3的上半部分距离左侧边缘的距离为0.65μm，N型沟道层5内侧左下方第一对称阶梯状的氧埋层3的下半部分距离左侧边缘的距离为0.6μm，N型沟道层5内侧右下方第二对称阶梯状的氧埋层4的上半部分距离右侧边缘的距离为0.85μm，N型沟道层5内侧右下方第二对称阶梯状的氧埋层4的下半部分距离右侧边缘的距离为0.8μm。。
本实施例中，所述N型沟道层5内侧左下方是第一对称阶梯状的氧埋层3的上半部分的长度和宽度分别为0.2μm和0.05μm，下半部分的长度和宽度分别为0.3μm和0.05μm；N型沟道层5内侧右下方是第二对称阶梯状的氧埋层4上半部分的长度和宽度分别为0.4μm和0.05μm，下半部分的长度和宽度分别为0.8μm和0.05μm。
实施例2
本实施例中，所述N型沟道层5内侧左下方是第一对称阶梯状的氧埋层3的上半部分的长度和宽度分别为0.25μm和0.06μm，下半部分的长度和宽度分别为0.4μm和0.06μm；N型沟道层5内侧右下方是第二对称阶梯状的氧埋层4上半部分的长度和宽度分别为0.5μm和0.06μm，下半部分的长度和宽度分别为0.9μm和0.06μm。
本实施例的其余技术方案与实施例1相同。
实施例3
本实施例中，所述N型沟道层5内侧左下方是第一对称阶梯状的氧埋层3的上半部分的长度和宽度分别为0.3μm和0.08μm，下半部分的长度和宽度分别为0.5μm和0.08μm；N型沟道层5内侧右下方是第二对称阶梯状的氧埋层4上半部分的长度和宽度分别为0.6μm和0.08μm，下半部分的长度和宽度分别为1.0μm和0.08μm。
本实施例的其余技术方案与实施例1相同。
本发明的核心是该半导体器件直流特性、交流特性和输出功率，并提高其功率附加效率。由于第一对称阶梯状的氧埋层3和第二对称阶梯状的氧埋层4的存在，有效地避免了N型沟道层中电子向衬底泄露，提高了最大输出电流密度；同时两侧分布能保持栅极对电流的控制作用，有效地提高了电流的传导能力；阶梯状的氧化层，会使电场峰从栅极靠近漏极处分散到右侧阶梯氧化层的端点上，从而减弱了电场的聚集，使击穿电压得到提高。N型沟道层内侧下方的两个对称阶梯状的氧埋层和的介电常数低于4H-SiC,因此会使栅源电容和栅漏电容的值低于常规器件，有效地提高了截止频率和最大输出功率。通过仿真实验，优化了两个阶梯氧化层的结构参数，得到了使功率附加效率达到最高的阶梯氧化层参数。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。
需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质。

Claims (6)

1.一种具有对称阶梯氧埋层的4H-SiC金属半导体场效应晶体管，其特征在于，包括：4H-SiC半绝缘衬底(1)、P型缓冲层(2)、第一对称阶梯氧埋层(3)和第二对称阶梯氧埋层(4)、N型沟道层(5)；
所述N型沟道层(5)的上端面分别为源极帽层(7)和漏极帽层(6)；
所述源极帽层(7)的上端面设置源电极(9)，所述漏极帽层(6)上端面设置漏电极(10)；
所述N型沟道层(5)的上表面介于源极帽层(7)和漏极帽层(6)之间形成栅电极(8)；
所述第一对称阶梯氧埋层(3)和第二对称阶梯氧埋层(4)分别设置在所述N型沟道层(5)的内侧。
2.根据权利要求1所述的具有对称阶梯氧埋层的4H-SiC金属半导体场效应晶体管，其特征在于，所述第一对称阶梯氧埋层(3)为凸字型，其上半部分宽度和高度分别为0.2-0.3μm和0.05-0.08μm，下半部分宽度和高度分别为0.3-0.5μm和0.05-0.08μm。
3.根据权利要求1所述的具有对称阶梯氧埋层的4H-SiC金属半导体场效应晶体管，其特征在于，所述第二对称阶梯氧埋层(4)为凸字型，其上半部分宽度和高度分别为0.4-0.6μm和0.05-0.08μm，下半部分宽度和高度分别为0.8-1.0μm和0.05-0.08μm。
4.根据权利要求1所述的具有对称阶梯氧埋层的4H-SiC金属半导体场效应晶体管，其特征在于，所述第一对称阶梯氧埋层(3)的上半部分与所述N型沟道层(5)的左侧边缘的距离为0.65μm，所述第一对称阶梯氧埋层(3)的下半部分与所述N型沟道层(5)左侧边缘的距离为0.6μm。
5.根据权利要求1所述的具有对称阶梯氧埋层的4H-SiC金属半导体场效应晶体管，其特征在于，所述第二对称阶梯氧埋层(4)的上半部分与所述N型沟道层(5)的右侧边缘的距离为0.85μm，所述第二对称阶梯氧埋层(4)的下半部分与所述N型沟道层(5)的右侧边缘的距离为0.8μm。
6.根据权利要求1所述的具有对称阶梯氧埋层的4H-SiC金属半导体场效应晶体管，其特征在于，所述第一对称阶梯氧埋层(3)和第二对称阶梯氧埋层(4)均为通过阶梯注氧，随后通过高温退火形成阶梯氧化层。
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