导通和半绝缘衬底上的SiC MESFET

分别在导通和半绝缘4H-SiC衬底上外延生长了MESFET结构并制成器件.两种衬底上的SiC MESFET具有类似的直流特性,饱和电流为350mA/mm,最大跨导为25～30mS/mm,击穿电压大于120V.导通衬底上的SiC MESFET在2GHz 50V工作时饱和输出功率为1.75W;在相同条件下半绝缘衬底的SiC MESFET饱和输出功率为3.38W,64V工作时最大输出功率超过4W.缓冲层参数的不同是造成微波性能差异的主要原因.     

导通和半绝缘衬底上的SiC MESFET

分别在导通和半绝缘4H-SiC衬底上外延生长了MESFET结构并制成器件.两种衬底上的SiC MESFET具有类似的直流特性,饱和电流为350mA/mm,最大跨导为25～30mS/mm,击穿电压大于120V.导通衬底上的SiC MESFET在2GHz 50V工作时饱和输出功率为1.75W;在相同条件下半绝缘衬底的SiC MESFET饱和输出功率为3.38W,64V工作时最大输出功率超过4W.缓冲层参数的不同是造成微波性能差异的主要原因.     

S波段10 W SiC MESFET的研制

采用在75 mm 4H-SiC半绝缘衬底上实现的国产SiC MESFET外延材料进行器件研制,在该器件的具体研制工艺中利用感应耦合等离子体干法腐蚀,牺牲层氧化等工艺技术,研制出2 GHz工作频率下连续波输出功率大于10 W、功率增益大于9 dB、功率附加效率不低于35%的MESFET功率样管,该器件的特征频率达6.7 GHz,最高振荡频率达25 GHz.对芯片加工工艺和器件的测试技术进行了分析,给出了相应的工艺和测试结果.     

S波段大功率SiC MESFET的设计与工艺制作

针对SiC功率金属半导体场效应晶体管如何在实现高性能的同时保证器件长期稳定的工作,从金属半导体接触、器件制造过程中的台阶控制、氧化与钝化层的设计及器件背面金属化实现等方面进行了分析;并结合具体工艺,对比给出了部分实验结果。从测试数据看,研制的微波SiC MESFET器件性能由研制初期在S波段瓦级左右的功率输出及较低的功率增益和功率附加效率,达到了在实现大功率输出的条件下,比Si器件高的功率增益和30%以上的功率附加效率,初步体现了SiC MESFET微波功率器件的优势,器件的稳定性也得到了提升,为器件性能和可靠性的进一步提升奠定了设计和工艺基础。     

S波段连续波SiC功率MESFET

利用国产SiC外延材料和自主开发的SiC器件工艺加工技术,实现了SiC微波功率器件在S波段连续波功率输出大于10W、功率增益大于9dB、功率附加效率不低于35%的性能样管,初步显现了SiC器件在S波段连续波大功率、高增益方面的优势。与以往的硅微波功率器件相比,在同样的频率和输出功率下,SiC微波功率器件的体积不到Si器件的1/7,重量不到Si器件的20%,其功率增益较Si器件提高了3dB以上,器件效率也得到了相应的提高。同时由于SiC微波功率器件的输入、输出阻抗要明显高于Si微波功率器件,在一定程度上可以简化或不用内匹配网络来得到比较高的微波功率增益,这就为器件的小体积、低重量奠定了基础,也为器件的大功率输出创造了条件。     

S波段脉冲大功率SiC MESFET

采用自主开发的3英寸(75mm)SiC外延技术和SiC MESFET的设计及工艺加工技术,成功地实现了S波段中长脉宽条件下(脉宽300μs,占空比10%),输出功率大于200W,功率增益大于11dB,功率附加效率大于30%的性能样管,脉冲顶降小于0.5dB,实现了大功率输出条件下的较高功率增益和功率附加效率及较小的脉冲顶降,初步显示了SiC功率器件的优势。器件设计采用多胞合成技术,为减小引线电感对功率增益的影响,采用了源引线双边接地技术;为提高器件的工作频率,采用了电子束写栅技术;为提高栅的可靠性,采用了加厚栅金属和国家授权的栅平坦化发明专利技术;同时采用了以金为主体的多层难熔金属化系统,提高了器件的抗电迁徙能力。     

S波段88W SiC MESFET推挽放大器研究

采用管壳内预匹配及外电路匹配相结合的方法,制作成功S波段高增益、高效率、大功率SiC MESFET推挽放大器。采用预匹配技术提高了器件输入、输出阻抗,优化了测试电路结构,成功消除了输入信号对栅极偏置电压的影响,提高了电路稳定性。放大器在脉宽为300μs、占空比为10%脉冲测试时,频率2GHz,Vds=50V脉冲输出峰值功率为88.7W(49.5dBm),功率增益为8.1dB,峰值功率附加效率为30.4%。     

SiC MESFET微波功率器件的研制

利用本实验室生长的4H-SiC外延材料开展了SiC微波功率器件的研究．通过对欧姆接触和干法刻槽工艺的优化,研制出高性能的SiCMESFET．利用1mm栅宽SiC MESFET制成的微波功率放大器在2GHz64V工作时,连续波输出功率达4．09W,功率增益为9．3dB,PAE为31．3％．文中还给出了SiC功率放大器在微波大信号工作时的稳定性的初步测试结果．     

SiC MESFET微波功率器件的研制

利用本实验室生长的4H-SiC外延材料开展了SiC微波功率器件的研究.通过对欧姆接触和干法刻槽工艺的优化,研制出高性能的SiC MESFET.利用1mm栅宽SiC MESFET制成的微波功率放大器在2GHz 64V工作时,连续波输出功率达4.09W,功率增益为9.3dB,PAE为31.3%.文中还给出了SiC功率放大器在微波大信号工作时的稳定性的初步测试结果.     

S波段功率SiC MESFET(芯片)研制

介绍了一种S波段功率SiC MESFET芯片的研制技术。针对SiC材料的特点,对4H-SiC外延材料进行了设计和仿真,同时对Al记忆效应进行了研究,优化了4H-SiC外延生长技术。研究了栅长与沟道厚度纵横比(Lg/a)对短沟道效应和漏极势垒降低效应的影响。采用了凹槽栅结构和体标记电子束直写技术以及热氧化SiO2和SiNx复合钝化层设计等新制备工艺,实现了栅、漏泄漏电流的减小和源、漏击穿电压的提高。测试结果表明,功率SiC MESFET芯片在3.4 GHz频率下脉冲输出功率大于45 W,功率增益8.5 dB,漏极效率40%。测试条件为漏极工作电压48 V,脉宽100μs,占空比10%。     

S-Band 1mm SiC MESFET with 2W Output on Semi-Insulated SiC Substrate

介绍了用热壁反应炉在50mm SiC半绝缘衬底上制备的SiC MESFET外延材料.其沟道层厚度约为0.35μm,掺杂浓度约为1.7×1017cm-3.沟道和衬底之间的缓冲层为非有意掺杂的弱n型.欧姆接触用的帽层掺杂浓度约1019cm-3.器件制备采用了ICP刻蚀等技术.微波测试结果表明,1mm栅宽功率器件封装后在2GHz下输出功率达到了2W.     

S波段连续波输出功率20W的SiC MESFET

采用自主开发的SiC外延材料和工艺技术,相继实现了S波段连续波状态下输出功率瓦级和10 W的SiC MESFET。经过版图设计的改进和工艺条件的优化,取得了S波段连续波状态下输出功率大于20 W,功率增益大于12 dB,功率附加效率大于30%的SiC MESFET研制结果。器件的功率增益和输出功率较以往的研制结果均得到显著提高,器件的反向截止泄漏电流也大幅度降低。由于器件未采用内匹配结构,其体积也比一般内匹配器件的体积小。研制结果为多胞合成实现更大功率输出的器件创造了条件,也使S波段连续波大功率输出器件的研制水平上了一个新的台阶。     

大功率SiC MESFET内匹配技术及测试电路研究

采用管壳内匹配及外电路匹配相结合的方法,成功制作四胞合成大功率高增益SiC MESFET.优化了芯片装配形式,采用内匹配技术提高了器件输入、输出阻抗.优化了测试电路结构,成功消除了输入信号对栅极偏置电压的影响,提高了电路稳定性.四胞器件在脉宽为300 μs、占空比为10%脉冲测试时,2 GHz Vds=50 V脉冲输出功率为129 W(51.1 dBm),线性增益为13.0 dB,功率附加效率为31.4%.     

8.9W/mm高功率密度SiC MESFET器件研制

基于自主研发的碳化硅(SiC)材料外延技术,优化了材料各层结构及参数,减小了Al记忆效应,最终得到了高质量SiC外延片。采用自主研发成熟的SiC MESFET工艺平台,制作了多凹栅器件结构,优化了凹槽尺寸,采用细栅制作技术完成了栅电极制作,最终得到了不同栅宽的SiC MESFET芯片。突破了大栅宽芯片流片、封装及大功率脉冲测试技术,研制成功了微波功率特性良好的MESFET器件。微波测试结果表明,在2 GHz脉冲条件下,0.25 mm栅宽器件,输出功率密度达到8.96 W/mm,功率附加效率达到30%。单胞20 mm大栅宽器件,3.4 GHz脉冲条件下,功率输出达到94 W,功率附加效率达到22.4%。     

SiC MESFET微波功率测试技术

对SiC MESFET的微波测试技术进行了分析，并针对这一采用第三代半导体材料研制的器件，结合硅微波双极功率晶体管和GaAs MESFET的测试技术，建立了SiC MESFET的微波测试系统，完成了2GHz工作频率下瓦级功率输出SiC MESFET的测试，功率增益大于6dB，器件的fT为6.7GHz, fmax达25GHz.     

SiCMESFET的大信号电容解析模型

考虑4H-SiC常温下不完全离化和高饱和电子漂移速度的特点,采用载流子速度饱和理论和电荷控制理论, 结合双曲正切函数的描述方法,导出了适用于4H-SiC MESFET在射频功率应用时的大信号电容解析模型,其模拟结果与实验值有很好的一致性.该模型具有物理概念清晰且算法简单的优点, 非常适合于微波器件结构及电路的设计.