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.     

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-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.     

Characterization of SiC MESFETs with narrow channel layer

SiC MESFETs with a narrow channel layer are proposed to alleviate the short-channel effects, in particular the drain-induced barrier lowering (DIBL) effect that results in threshold voltage that is dependent on the gate length and the drain voltage applied. Such narrow channel layer 4H-SiC MESFETs were fabricated and characterized. The thickness and doping concentration of the channel layer are 0.08 μm and 8.0 × 10¹⁷ cm⁻³, respectively. The measurement results showed that the threshold voltage of the MESFETs is about −1.1 V and is independent of the gate length from 1 to 3 μm, and the drain voltage applied up to 40 V. Good saturation behavior with fairly low output conductance was also achieved, which is desirable for small signal applications. The results obtained for the narrow channel layer MESFETs are also compared with those measured for conventional devices with thicker channel layer of 0.20 μm and doping concentration of 2.5 × 10¹⁷ cm⁻³.     

高温正向栅电流下Ti/Pt/Au栅SiC MESFET的栅退化机理

SiC MESFET器件的性能强烈依赖于栅肖特基结的特性,而栅肖特基接触的稳定性直接影响其可靠性.针对SiC MESFET器件在微波频率的应用中射频过驱动导致高栅电流密度的现象,设计了两种栅极大电流的条件,观察栅肖特基接触和器件特性的变化,并通过对试验数据的分析,确定了栅的寄生并联电阻的缓慢退化是导致栅肖特基结和器件特性退化,甚至器件烧毁失效的主要原因.     

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%.     

A novel 4H-SiC MESFET by lateral insulator region to improve the DC and RF characteristics

In this paper, a novel recessed gate metal–semiconductor field-effect transistor (RG-MESFET) is presented by modifying the depletion region and the electric field. The proposed structure improves the breakdown voltage, drain current and high frequency characteristics by embedding a lateral insulator region between drain and gate while is placed laterally into the metal gate and a silicon well exactly under the insulator region. We called this new structure as modified recess gate MESFET (MRG-MESFET). The radio frequency and direct current (DC) characteristics of the proposed structure is studied using numerical simulations and compared with a conventional MESFET (C-MESFET). The breakdown voltage, drain current DC transconductance and maximum power density of the proposed structure increase by 27%, 16.5%, 15% and 48%, respectively, relative to the C-MESFET. Also, the gate-source capacitance and the minimum noise figure of the proposed structure improve relative to the C-MESFET. The proposed structure can be used for high breakdown voltage, high saturation drain current, high DC transconductance, high power, high frequency, and low noise applications.     

微波大功率SiC MESFET及MMIC

利用本实验室生长的4H-SiC外延材料开展了SiC MESFET和MMIC的工艺技术研究.研制的SiC MESFET采用栅场板结构,显示出优异的脉冲功率特性,20 mm栅宽器件在2 GHz脉冲输出功率达100 W.将四个20 mm栅宽的SiC MESFET芯片通过内匹配技术进行功率合成,合成器件的脉冲功率超过320 W,增益8.6 dB.在实现SiC衬底减薄和通孔技术的基础上,设计并研制了国内第一片SiC微波功率MMIC,在2～4 GHz频带内小信号增益大于10 dB,脉冲输出功率最大超过10 W.     

微带线碳化硅E类功率放大器设计

SiC MESFET由于其高击穿电压和低输出电容,适合用于设计E类功率放大器.设计了一种结构简单的微带线拓扑E类负载网络,可以匹配至标准电阻,且抑制高至5阶的谐波.用ADS软件进行电路仿真,在2.14 GHz频率点下,峰值功率附加效率(PAE)为70.5%,漏极效率可达80%,功率增益约为10 dB.     

Improved performance of SiC MESFETs using double-recessed structure

A double recessed SiC MESFET was proposed and its electrical performances were studied by numerical simulation. Our simulated results showed that the saturation current of the double recessed structure is about 77% larger than that of the conventional structure. However, their threshold voltages are comparable and are −9.2 and −8.4 V for the double recessed and conventional structure, respectively. The output power density of the double recessed structure is about 37.5% larger than that of the conventional structure though its breakdown voltage is lower. The cut-off frequency (f_T) and the maximum oscillation frequency (f_max) of the double recessed structure are 15.3 and 70.6 GHz, respectively, which are higher than that of the conventional structure. Therefore, the double recessed 4H-SiC MESFET has superior DC and RF performances compared to the similar device based on the conventional structure.