【摘 要】
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氧化镓（Ga2O3）作为新一代超宽带隙半导体材料,由于其优异的材料特性被广泛应用于高压、大功率以及高频等领域。目前,由于工作安全以及生产成本的需求,增强型MOSFET在功率器件应用领域具有显著优势。为缩短开发周期以及降低生产成本,基于TCAD仿真软件的计算辅助设计应运而生,极大地加快了实验进程。基于上述原因,本文使用仿真软件对Ga2O3 Fin FET和Ga2O3 Fe FET两种增强型器件进行仿
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氧化镓（Ga2O3）作为新一代超宽带隙半导体材料,由于其优异的材料特性被广泛应用于高压、大功率以及高频等领域。目前,由于工作安全以及生产成本的需求,增强型MOSFET在功率器件应用领域具有显著优势。为缩短开发周期以及降低生产成本,基于TCAD仿真软件的计算辅助设计应运而生,极大地加快了实验进程。基于上述原因,本文使用仿真软件对Ga2O3 Fin FET和Ga2O3 Fe FET两种增强型器件进行仿真研究,为后续实验提供参考。具体研究内容如下所示:（1）利用Silvaco TCAD仿真软件设计Ga2O3 Fin FET器件结构并建立相应的物理模型,然后对其进行基本电学特性仿真。得到器件的阈值电压为0.92 V,开关比大于10~8,饱和输出电流为610 A/cm~2,击穿电压VBR约为446 V。仿真结果与实验结果有很好的一致性,验证了器件建模的准确性,为后续仿真优化提供基础。在前文仿真结构基础上,从鳍宽、栅长、鳍间距角度对Fin FET器件进行优化,研究发现鳍宽为0.3μm、栅长为1.0μm时器件的性能最优。（2）设计一种场板结构以提高Fin FET器件击穿性能。为缓解器件栅极边缘处以及Fin沟道拐角处的电场集中效应,提出一种源场板终端结构,并对场板长度Lfp以及场板下方钝化层厚度Hfp进行优化。研究发现在漏极电压偏置为1500 V时,当Lfp=4μm、Hfp=0.2μm,器件的峰值电场最小,约为4.13 MV/cm,此时器件的耐压能力最强,极大地提高器件的击穿性能。（3）设计一种复合介质层结构以提高Fin FET器件击穿性能。提出具有复合介质层结构的Fin FET器件来缓解电场集中效应,研究发现在漏极电压偏置为1500 V时,器件的峰值电场位于栅极边缘处,场强大小约为6.14 MV/cm,表明复合介质层结构可以提高器件的耐压能力。此外,提出一种复合介质层场板结构来改善器件的击穿性能,结果表明在漏极电压偏置为1500 V时,当Lfp=4μm、Hfp=0.1μm,器件的峰值电场最小,大小约为3.09 MV/cm。与前两种结构相比,此时器件的耐压能力最强,为后续实验提供理论参考。（4）利用Sentaurus TCAD仿真软件对铁电电容MFM结构进行建模,研究外加偏置电压幅值和铁电薄膜厚度对铁电电容P-V特性的影响。研究发现,铁电薄膜极化强度随偏置电压幅值增大而增大,并逐渐趋于饱和。此外,在外加偏置电压相同的情况下,随着铁电薄膜厚度的增大,薄膜的铁电性能不断下降。（5）首次利用Sentaurus TCAD仿真软件对Ga2O3 Fe FET器件进行理论仿真研究,从陷阱及材料参数、物理模型及其参数和电压源方面对器件进行仿真建模,并对Ga2O3 Fe FET器件的转移特性、输出特性和击穿特性进行仿真。器件初始化前后阈值电压漂移达到了4.67 V,器件从耗尽型转变为增强型,从理论仿真角度验证了铁电存储栅结构实现增强型的可行性。在此基础上,从铁电薄膜厚度和氧化层厚度两个角度对器件进行参数优化,发现铁电薄膜厚度为17 nm、氧化层厚度为5 nm时器件性能最优。（6）Ga2O3 Fe FET器件可靠性研究。从重复扫描和温度特性方面对Ga2O3 Fe FET器件的可靠性进行研究,研究发现在正反向扫描过程中器件的阈值电压偏移较小,器件性能稳定;此外,温度的升高导致阈值电压下降,亚阈值摆幅值增大,电流密度减小,但在可接受的范围内,这为后续实验提供理论参考。
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