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碳化硅作为第三代宽带隙半导体材料,表现出优异的材料特性,且金属半导体场效应管器件频率高、不易发生二次击穿。4H-SiC MESFETs器件凭借输出功率密度大、良好的热传导性和高可靠性等特性,在微波频段的通信、雷达等设备中拥有广泛的应用。然而,陷阱效应、表面态过高、电场轰击效应等因素会导致器件的输出功率和频率的下降,因此有必要改进器件结构、提高器件性能。提高沟道厚度会导致相互制约、相互矛盾的结果:漏端输出电流增加但击穿电压减少,栅源电容减少但跨导也减少。因此,需要针对性地对缓冲层进行局部改进,还应结合顶部改进才能解决上述制约关系。本文首次提出了具有双凹陷缓冲层和多凹陷沟道的4H-SiC MESFET结构(DRB-MESFET)。仿真结果表明,凹陷源/漏漂移区能够削弱栅极拐角处的电场集边效应,继而提高器件的击穿电压。同时,凹陷的区域抑制栅耗尽层向源/漏两侧延伸,降低栅源和栅漏寄生电容,从而改善器件的频率特性、提高小信号增益性能。另外,通过引入双凹陷缓冲层,有效沟道厚度变宽,电流得到提高,而栅极相对于沟道距离没变,导致栅极对电流的控制作用变强,改善跨导特性。与仅含有凹陷源/漏漂移区的结构相比较,栅源电容基本保持不变,而漏端输出电流和跨导显著提高,使得器件的直流特性和频率特性有显著的提升。与传统的双凹栅结构(DR-MESFET)相比较,DRB-MESFET结构比漏端饱和电流提高38%,击穿电压提高27%,最大功率密度提高74%,栅源电容减少32%,并且截止频率和最大振荡频率分别从16.7、57.2GHz提高到24.7、63.9GHz。本文首次提出一种新的具有Γ栅凹陷缓冲层的4H-SiC MESFET结构(ΓRB-MESFET)。通过改变高栅、低栅相对沟道表面的位置,使得栅下的沟道厚度变大,得到更大的漏端输出电流。低栅源侧不再向下凹陷,减少该处的电场集边效应,提高器件的击穿电压。同时缓冲层向沟道凹陷,使得低栅与沟道底部的相对距离保持不变,确保沟道电流能够有效地被栅压控制,从而提高器件频率特性。仿真结果表明,ΓRB-MESFET结构的最大功率密度比DR-MESFET结构增加42%,截止频率增加19%。若增加高栅相对沟道表面的高度,使得高栅下的耗尽层区域在沟道层的面积减少,不仅增大漏端饱和电流,同时进一步阻碍栅耗尽层向源/漏两侧扩展,降低栅源电容和漏栅电容。更为明显的是,随着高栅相对沟道表面的距离增加,高栅边缘源侧将出现新的电场密度峰值,这将有效缓解电场集边效应,提高器件的击穿电压。