4H-SiC MESFET特性对比及仿真
侯 斌，邢 鼎，张战国，臧继超，马 磊
(航天科技集团九院七七一研究所，陕西 西安710000)
通过对双凹栅结构和阶梯栅结构4H-SiC MESFET的直流特性对比，得出阶梯栅结构的直流特性优于双凹栅结构。对阶梯栅结构进行极限化处理后，引出了坡形栅4H-SiC MESFET的结构及其特征参数EPCG，通过仿真对比了坡形栅4H-SiC MESFET结构EPCG分别为1/4栅、1/2栅、3/4栅和全栅时的直流特性。结果表明，当EPCG为1/2栅时，最大饱和漏电流取得最大值，在VG=0 V、VDS=40 V的条件下达到了545 mA；当EPCG为1/4栅、3/4栅和全栅时，最大饱和漏电流均不如EPCG为1/2栅时取得的最大值。
仿真；4H-SiC MESFET；阶梯栅；坡形栅
TN386.2
文献标识码： A
10.16157/j.issn.0258-7998.2017.01.003
中文引用格式： 侯斌，邢鼎，张战国，等. 4H-SiC MESFET特性对比及仿真[J].电子技术应用，2017，43(1)：13-15，19.
英文引用格式： Hou Bin，Xing Ding，Zhang Zhanguo，et al. The characteristic comparison and simulation of 4H-SiC MESFET[J].Application of Electronic Technique，2017，43(1)：13-15，19.
0 引言
4H-SiC MESFET作为下一代大功率微波器件的首选，具有静态工作电压高、输出阻抗大、线性化程度理想、器件通用性好及设计成本低等优点[1，2]。传统的4H-SiC MESFET器件虽然在理论上具有很好的直流和射频特性，但在实际中，由于击穿电压和漏电流的提高，在一定程度上为相互制约的关系，导致功率密度达不到更高的要求。目前科学界通过改变4H-SiC MESFET结构的尺寸、形状等手段来提高4H-SiC MESFET器件的性能。而双凹栅结构4H-SiC MESFET和阶梯栅结构MESFET的提出，对栅结构的改变提供了良好的思路。对于阶梯栅4H-SiC MESFET的研究表明，当阶梯栅的数目越多时，器件的各项特性将越好[3]。所以阶梯的数目趋向于无穷时，阶梯的形状就被微分为一个斜坡。
1 阶梯栅和坡形栅4H-SiC MESFET的结构
图1为阶梯栅结构MESFET的剖面图，从图中可以看出，MESFET的栅部分由上栅和下栅两部分构成，上栅部分为长方形结构，栅长为LG；下栅部分为倒阶梯状结构，栅长为W，下栅通过刻蚀延伸到N型沟道区。
图2是将阶梯数目极限后所产生的结构，器件的结构由一个半绝缘的衬底、一个P型的缓冲层、一个N型沟道和高掺杂的n型覆盖层从下而上堆叠而成，堆叠层表面通过溅射金属引出栅(G)、源(S)、漏电极(D)。坡形栅MESFET结构的尺寸如下：栅长度LGU为0.7 μm，栅源间距LGS为0.5 μm，栅漏间距LGD为1.8 μm，下栅高度为0.06 μm，N型沟道厚度为0.25 μm。掺杂浓度为3×1017cm-3，P型缓冲层厚度为0.5 μm，掺杂浓度为1.4×1015cm-3，栅的肖特基接触金属为镍[4]。
2 器件的物理模型及参数
对于4H-SiC MESFET的研究，通常采用漂移-扩散模型、热力学方程模型和流体力学模型来描述[5]。本文对坡形栅MESFET及其他结构的仿真中，由于牵扯到高温，漂移扩散模型不可用，流体力学模型相对于热力学模型速度慢得多，所以采用热力学模型进行分析[6]。
热力学模型假设载流子和晶格相互热平衡，所以可以假定系统温度统一，电子和空穴的电流密度方程可以通过式(1)和式(2)表示：
本文的仿真软件采用ISE-TCAD，描述坡形栅MESFET器件的基本模型有能带变窄模型、迁移率模型、雪崩离化模型和复合模型等。
3 不同栅结构的4H-SiC MESFET物理特性对比及坡形栅结构的优化
3.1 双凹栅结构和阶梯栅结构4H-SiC MESFET物理特性对比
在不同栅结构的4H-SiC MESFET器件中，具有代表性的有双凹栅MESFET和阶梯栅MESFET。双凹栅MESFET的结构剖面图如图3所示。
从图3中可以看出，双凹栅结构和阶梯栅结构4H-SiC MESFET的区别为下栅部分，双凹栅4H-SiC MESFET的下栅部分为具有长度为W的长方形栅，而阶梯栅的下栅部分为阶梯状的栅。
3.1.1 双凹栅和阶梯栅电流输出特性对比
在不同栅压下(VG=0 V、-3 V、-6 V、-9 V)，阶梯栅和双凹栅MESFET结构的直流输出I-V特性曲线如图4所示。
从图4中可以看出，在不同的栅压下，阶梯栅MESFET的饱和漏极输出电流大于双凹栅MESFET。这是因为对于4H-SiC MESFET，沟道区的等效电阻主要由耗尽区的大小决定，随着低栅部分阶梯数目的变化，耗尽区随之改变，提高阶梯数目使得沟道电阻减小，使漏电流得到提高。在栅压VG=0 V时，阶梯栅MESFET的饱和漏电流为391 mA/mm，比同条件下的双凹栅MESFET提高了5.9%。
3.1.2 双凹栅和阶梯栅的击穿电压对比
图5为双凹栅MESFET和阶梯MESFET的击穿电压曲线，从图中可以看出，阶梯栅MESFET的击穿电压为52 V，比双凹栅MESFET提高了4%。这是因为，要使得器件发生击穿，器件内部的电场则需要更高的电压。因此，阶梯栅MESFET的击穿电压大于双凹栅MESFET[7]。
3.1.3 最大输出功率对比分析
通过阶梯MESFET与双凹栅MESFET的饱和漏电流和击穿电压可以计算出两种结构的最大输出功率密度Pmax：
其中，Id是4H-SiC MESFE器件的饱和漏电流，VB是击穿电压，Vknee是膝点电压。
从式(3)可以看出，由于阶梯栅MESFET的击穿电压和饱和漏极电流均大于双凹栅MESFET，因此其最大输出功率密度也大于双凹栅MESFET，可见阶梯栅MESFET比双凹栅MESFET具有更加优秀的击穿特性和功率特性。
3.2 阶梯栅结构和坡形栅结构4H-SiC MESFET物理特性对比及优化
在图2中描述了坡形栅MESFET的结构，在此引入坡形栅MESFET的特征参数(EPCG)，即坡形栅的终点，定义上栅和下栅的交点为坡形栅的终点。图6中①、②、③、④分别代表了1/4栅、1/2栅、3/4栅和全栅的坡形栅MESFET。图7为坡形栅和阶梯栅MESFET漏电流-漏源电压对比图。
从图7中可以看出，在VDS较小，即器件工作在线性区时，坡形栅MESFET和阶梯栅MESFET的漏电流基本相同，但当VDS进一步增大，这几种结构就有了显著差异。对于坡形栅MESFET，由于EPCG的不同，导致器件沟道区内的耗尽层发生改变，使得最大饱和漏电流发生变化。当EPCG为1/2栅时，最大饱和漏电流取得最大值，在VG=0 V、VDS=40 V的条件下达到了545 mA。而EPCG为1/4栅、3/4栅和全栅时，最大饱和漏电流不如EPCG为1/2栅时，也就是说，当EPCG从全栅移动到3/4栅、1/2栅时，由于沟道层内的耗尽区不断减小，使得沟道不断展宽，导致最大饱和漏电流不断增大；而EPCG从1/2栅移动到1/4栅时，沟道耗尽区边界的电流集边效应将会越来越严重，这会使得沟道减小，导致最大饱和漏电流减小。因此，当EPCG为1/2栅时，坡形栅MESFET的漏电流达到最大值。
图8为EPCG分别为1/4栅、1/2栅、3/4栅和全栅时，坡形栅MESFET的击穿电压对比图。从图中可以看出，当EPCG为1/2栅时，坡形栅MESFET的击穿电压最大达到57.5 V；而当EPCG为3/4栅时，坡形栅MESFET的击穿电压最小，为48 V。这是因为，在EPCG为3/4栅和全栅时，由于栅结构下方的终点距离漏测较近，使得栅漏边缘形成了较大的电场，因此更易发生击穿。而EPCG为1/4栅和1/2栅时，漏测边缘更接近于常规4H SiC MESFET，因此击穿电压较高。
4 结论
本文对比了双凹栅结构和阶梯栅4H-SiC MESFET的电流电压直流特性。结果表明，阶梯栅4H-SiC MESFET具有更好的直流特性。通过对阶梯栅的极限化处理，引出了坡形栅的4H-SiC MESFET结构，以及坡形栅的4H-SiC MESFET的特征参数-坡形栅的终点(EPCG)。仿真结果表明，当EPCG为1/2栅，最大饱和漏电流取得最大值，在VG=0 V、VDS=40 V的条件下达到了545 mA；EPCG为1/4栅、3/4栅和全栅时，最大饱和漏电流均不如EPCG为1/2栅时取得的最大值。
参考文献
[1] SUDOW M，ANDERSSON K，BILLSTROM N，et al.An SiC MESFET-based MMIC process[J].Microwave Theory and Techniques，IEEE Transaction on，2006，54(12)：4072-4078.
[2] WILLARDSON R K，WEBER E R.SiC material and devices[M].Academic Press，1998.
[3] JIA H，ZHANG H，XING D，et al.A novel 4H-SiC MESFET with ultrahigh upper gate[J].Superlattices and Microstructures，2015，86：372-378.
[4] MEAD C A.Schottky barrier gate field effect transistor[J].Proceeding of the IEEE，1966，54(2)：307-308.
[5] 刘恩科.半导体物理学(第七版)[M].北京：国防工业出版社，2011.
[6] 任雪峰，杨银堂，贾护军.4H-SiC MESFET直流I-V特性解析模型[J].半导体技术，2008(2)：129-132.
[7] RAMEZANI Z，OROUJI A A，AGHAREZAEI H.A novel symmetrial 4H-SiC MESFET：an effective way to improve the breakdown voltage[J].Joural of Computation Elctronics，2015(1).
年入7600万！虚拟网红爆火背后：她们坐拥百万粉丝却“不是人”
网红少女 Lil Miquela
Jesse和他设计的虚拟网红阿喜
网红少女Lil Miquela，有着可爱雀斑，长期定居在洛杉矶，是一位拥有西班牙裔、巴西裔和美国血统的模特及音乐人。不过你可能不知道，Lil Miquela不是人，而是一个利用计算机技术人工创造出来的虚拟网红。
刚过去不久的2021年春晚，虚拟网红洛天依登上央视舞台备受关注。她和Lil Miquela一样，都是坐拥百万粉丝的大网红。
目前，中国虚拟网红行业发展火爆，B站上每个月都有约4000多个虚拟主播开播。那么，中国虚拟偶像发展前景到底如何？这个行业成熟了吗？
虚拟偶像“阿喜”
明亮的眼睛、柳叶般细长的眉毛、坚挺的鼻梁，生气时微微皱起的眉头，还有随风扬起的蓬松头发……新晋虚拟网红“阿喜”有着几十万的粉丝。虽然只发布了7个短视频，但每条视频播放量都能达到400多万。
阿喜的设计者Jesse是一名CG导演。CG，是Computer Graphics的英文缩写，也叫计算机动画。阿喜，就是Jesse通过计算机技术创作而成的虚拟人物。
“我想做一个虚拟偶像。”Jesse告诉成都商报-红星新闻记者，阿喜的定位不是像一般网红那样秀身材，也不是跳舞，她吸引人的应该是那种能够治愈人的感觉。2020年6月，Jesse开始着手阿喜的设计，前后花费4个月的时间终于完成了这个角色。据后台数据显示，75%喜欢阿喜的人是女性，年龄在18-23岁之间。
有过《寻龙诀》等电影CG制作、有着十多年从业经验的Jesse透露，目前虽然有很多企业来找过他，希望能让阿喜作为企业的代言人做一些营销，不过他都还只在考虑阶段。
虚拟网红年入7600万
说起虚拟网红的兴起，Jesse告诉记者，大约是在2000年后的日本。那时，CG技术在日本日渐成熟，随之而来的便是虚拟偶像的兴起，比如很多人听说过的3D初音未来。2015年左右，国内CG产业慢慢成熟，虚拟偶像或者虚拟网红这才慢慢萌芽。
在全球范围内，其实已经有混得风生水起的虚拟网红，比如一位名叫Lil Miquela的19岁混血女孩。在网上，她被设定为一位有着可爱雀斑，长期定居在洛杉矶，拥有西班牙裔、巴西裔和美国血统的虚拟模特及音乐人。
看她在社交媒体发的动态，你想象不到这是一个现实生活中不存在的人。她的个人生活非常丰富，无论是社交、拍摄、广告代言等等一个都不落下，影响力堪比真人网红。
Lil Miquela有多火？最直观的数据就是ins上有200多万人关注她。她还曾与特朗普、Rihanna一同入选《时代》年度“网络最具影响力人士”的榜单。央视网2021年01月30日还曾报道，Lil Miquela在2019年的收入折合人民币大约为7600万！
虚拟网红的前景
除了Lil Miquela，又比如被称作全球第一个的虚拟超模Shudu，又如2021年春晚，第一个登上央视舞台的虚拟歌手洛天依，他们都是虚拟偶像。
作为中国第一个虚拟歌姬，洛天依于2012年正式出道。此后，国内虚拟偶像也从虚拟歌姬慢慢衍生，出现了具有直播带货、当主播等功能的虚拟网红。在直播带货方面，因受到疫情影响，虚拟网红也加入到其中。去年5月，洛天依亮相直播，直播在线观看人数一度高达270万，近200万人打赏互动。
虚拟网红或者说虚拟偶像的前景究竟有多大？知名IT产业时评人张书乐认为，作为二次元领域的一个代表，虚拟偶像其实是一个垂直类市场。当然，Z世代（统指受到互联网、即时通讯、短讯、MP3、智能手机和平板电脑等科技产物影响很大的一代人）用户这个体量本身就足够巨大，因此前景或者说“钱”景极大。此前日本的初音未来所创造的受益，堪比天王巨星，且是跨国界的。
同时，还不仅仅是演艺收益，其还可以进入到衍生链条中，如偶像周边产品，参与影视作品或成为主题公园的关键要素，都能够带来更大的市场价值。
不过就国内而言，新兴的虚拟偶像和虚拟主播们能否从激烈的竞争中突出重围打开市场？
作为在CG行业摸爬滚打十多年的资深人士，Jesse认为对于普通大众来说，虚拟网红却还是比较新鲜的事物。“不过在一个行业刚萌发时，仅仅依靠新鲜感来存在是不靠谱的，还是要进行规划。”Jesse认为，对观众来讲，我喜欢她（虚拟网红）有什么意义有什么价值，是娱乐性或是体验感还是其他，这些是最值得去思考的问题。 （记者 戴佳佳 受访者供图）
来源：成都商报
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