基于Si1?xGex应变硅技术的超结MOSFET动态性能优化研究及其在功率器件中的创新应用

本文系统探讨了Si1?xGex应变工程在超结（SJ）功率MOSFET中的集成策略，通过应力调制载流子迁移率与异质结能带工程，显著优化反向恢复电荷（Qrr）和导通损耗（Eon），为高频高压应用提供突破性解决方案。

　　

Device structure and mechanism

所提出的架构保留了传统SJ MOSFET的核心拓扑结构（图1(a)）。然而，固有的4.17%晶格失配需要通过特定工艺适配来抑制Si_1?xGe_x层及Si_1?xGe_x/Si异质结界面的缺陷产生（图1(b)）。采用超高真空化学气相沉积（UHV/CVD）或分子束外延（MBE）技术可实现高质量的Si_1?xGe_x异质外延生长。由于GeO₂的热稳定性和高缺陷密度特性，需通过精确的组分控制与应力管理策略平衡性能增益与缺陷生成风险。

Results and discussion

图3(a)展示了不同Ge含量（x=0–1）器件的转移特性。阈值电压（V_th，定义为峰值跨导处）随x增加因带隙变窄而初始下降，但在x>0.6时因晶格失配诱导的位错增强声子与缺陷散射而回升。当x=1（纯锗）时，位错密度数量级降低，载流子散射被抑制，此时带隙变窄导致的载流子有效质量减少成为主导机制。应力场分析表明，Si_1?xGe_x/Si界面应力随Ge含量增加而显著增强，直接调制载流子迁移率与能带结构。然而过量Ge引入会导致缺陷密度急剧上升，应力弛豫引发高密度界面缺陷，进而恶化漏电流与击穿电压（BV）。通过综合权衡分析，确定最佳Ge组分为x=0.6，此时反向恢复电荷Q_rr=0.87 μC·cm^?2，导通损耗E_on=15.34 μJ·cm^?2，较传统硅基SJ MOSFET分别降低78.7%和37.3%。动态特性模拟进一步验证了该结构在寄生电容、栅电荷及非钳位电感开关鲁棒性方面的优势。

Conclusion

本研究通过TCAD仿真系统分析了具有Si_1?xGe_x异质结活性区的新型SJ MOSFET架构。采用应变工程Si_1?xGe_x替代传统硅活性区形成异质结二极管（HJD），通过能带偏移调制将反向导通电压降低0.15 eV，显著优化反向恢复特性。应力诱导的载流子有效质量优化同时增强了正向导通能力，实现了导通损耗与开关性能的协同提升。该研究为下一代高压功率器件的异质结集成提供了关键设计依据。