4H-SiC基MPS二極管迅回效應分析

保玉璠, 汪再興, 彭華溢, 李 堯

(蘭州交通大學 電子與信息工程學院, 甘肅 蘭州 730070)

碳化硅(SiC)材料被稱為第三代半導體材料,具有寬帶隙、高臨界電場和良好的熱導率等特性,故被廣泛應用于大功率器件的生產中[1]。與Si材料相比,SiC在飽和電子遷移率、電流傳輸能力和熱穩定性方面的表現更優[2-3]。其中4H-SiC的禁帶寬度為3.26 eV,而硅單晶僅有1.12 eV。禁帶寬度越寬,本征載流子的濃度越低,本征溫度就越高,器件便能在更高的溫度條件下工作[4-6]。同時4H-SiC的臨界擊穿電場為3 MV/cm,而Si僅為0.3 MV/cm,故前者適合制作大功率的微波器件和高壓二極管等。此特性不僅有助于提高碳化硅器件排列的密集性,還能夠令封裝密度進一步增大。此外,4H-SiC材料還具有更大的飽和電子遷移率,相比于Si材料半導體器件,其在電流傳輸方面的能力更強[7-8]。

Merged PIN/Schottky(MPS)二極管是一種雙極器件,該器件將傳統的PIN二極管嵌入肖特基二極管中,且由肖特基和PIN結構并聯組成。MPS二極管結合了肖特基部分的低導通壓降特性與PIN部分的高正向電流密度特性,使得器件在不同正向偏置電壓條件下表現出相應的特質。抗浪涌電流能力對功率器件而言至關重要,表明了二極管在正向偏壓下所能處理的最大電流。因此,該能力成為電源設計的一個關鍵參數,也是MPS二極管可靠性的重要影響因素。

本文以4H-SiC為襯底建立MPS二極管基本結構模型,通過模擬仿真不同參數對MPS二極管迅回效應的影響,從而得出相應的變化趨勢,以優化器件正向特性并抑制迅回效應。同時通過研究器件內部的載流子分布,探究各參數對迅回效應的影響機理。

1 MPS二極管工作原理與迅回效應

1.1 工作原理

SiC MPS二極管結構如圖1所示,其基本參數設置如表1所示。MPS二極管的結構中包含了肖特基以及PIN二極管的結構,工作原理也基于這兩種器件的特性[9-11]。在SiC MPS二極管的正向導通過程中,器件的工作模式可以分為單極與雙極模式兩部分。

表1 MPS二極管基本參數設置Tab.1 Basic parameter settings of MPS diode

圖1 MPS二極管結構Fig.1 Structure of MPS diode

隨著正向偏置電壓的增大,由于肖特基勢壘相比PN結勢壘低,故其首先進入導通狀態,而溝道區和漂移區的少數載流子濃度梯度不為0,且漂移區的電子通過溝道區進入金屬形成電流[12-14]。此時,電流主要來自肖特基區的熱電子發射,而器件工作在單極模式。繼續增大正向偏置電壓,使得P+區注入到漂移區的少數載流子濃度不斷提高。當注入濃度超過漂移區摻雜濃度時,便會產生大注入效應[15]。隨著注入空穴濃度的增大,電中性要求電子與空穴的濃度相等,這會導致漂移區內發生電導調制效應,從而令器件具有高正向電流密度和低導通壓降,即器件工作在雙極模式。

1.2 迅回效應

MPS二極管迅回效應出現在由單極向雙極模式過渡的過程中。開啟雙極工作模式時會出現電壓減小、電流增大的現象,由此產生負阻效應。而電壓減小至某一值后又繼續增大,且整個過程的電流持續增加,這種現象被稱為迅回效應,如圖2所示。

圖2 MPS二極管正向I-V特性曲線Fig.2 Forward I-V characteristic curve of MPS diode

由圖2可知,A點之前器件整體處于關斷狀態;A點與B點之間,肖特基接觸部分開始導通,器件處于單極模式。此時偏壓繼續增大,并在B點處發生迅回效應,且導通壓降減小,正向電流持續增加。而B點之后器件進入雙極模式,PIN部分導通,正向電流迅速增加。當迅回效應發生時,需要額外的正向電壓來開啟雙極工作模式,電壓最大值定義為轉折電壓Vturn,對應圖中B點,負阻效應消失時對應的電壓定義為折回電壓Vback。若Vturn過高,在進入浪涌電流模式之前引發過熱,導致器件被破壞。

已有研究表明,一定范圍內溫度升高使MPS二極管的開啟電壓和轉折電壓均減小,加速器件內部載流子的輸運,促進MPS二極管工作模式平滑過渡,較好地抑制了迅回效應。當溫度過高時,器件電流密度達到臨界電流密度,溫度和壓降會急劇增加,導致器件損壞。

2 MPS二極管迅回效應影響因素

2.1 P+區摻雜濃度對迅回效應的影響

MPS二極管作為一種雙極性器件,P+區的設計會直接影響器件雙極工作模式的開啟。在高正向偏置電壓下,P+區向漂移區注入空穴,少數載流子注入到具有高電阻率的漂移區會產生電導調制效應,并導致正向壓降降低。而改變P+區摻雜濃度會影響漂移區內注入的空穴濃度,使得大注入效應所產生的正向偏置電壓不同,進而影響到器件工作模式的切換。通過仿真模擬研究P+區摻雜濃度對迅回效應的影響,如圖3所示。

圖3 MPS二極管不同P+區摻雜濃度正向I-V特性曲線Fig.3 Forward I-V characteristic curves of MPS diodes with different doping concentrations in P+ region

當P+區的摻雜濃度Na=1×1017cm-3時,所對應的轉折電壓Vturn為6.44 V;隨著摻雜濃度的增大,當Na=1×1021cm-3時轉折電壓Vturn下降至4.89 V,這是因為此時器件較早開啟雙極模式,導致迅回效應減弱。

P+區摻雜濃度會影響注入空穴的濃度,高摻雜濃度的P+區會加快漂移區內產生大注入效應,并較早發生電導調制效應。該效應可使漂移區的電阻率減小,器件導通壓降開始降低,對應的迅回效應正向偏置電壓到達轉折電壓Vturn。

當正向偏置處于折回電壓Vback時,表明漂移區內電導率已停止大幅增加,此時器件完全導通,并主要呈現出PN結整流特性。P+區摻雜濃度的增大加速了器件從單極向雙極模式的整個過渡過程,有效抑制了迅回效應的產生。

圖4為MPS二極管在發生迅回效應過程中不同正向偏置電壓下,漂移區內縱向空穴濃度在不同P+區摻雜濃度下的分布。圖4a中,器件處于單極工作模式,在漂移區內由P+區注入的空穴濃度保持穩定。P+區與N+襯底區被稱為末端區域,器件工作在大注入狀態時,在該區域會發生載流子復合效應,曲線在靠近N+區時向下彎沉,空穴濃度減小。

圖4 不同P+區摻雜濃度下P+區中垂線方向上的少子濃度分布Fig.4 Minority carrier concentration distribution in midperpendicular direction of P+ region at different doping concentrations

當正向偏置電壓變化至Vback時,器件開啟雙極工作模式,漂移區內部空穴濃度明顯增大。由于電導調制效應的產生使得正向電流密度迅速增加,漂移區內少數載流子濃度提升至1×1016cm-3,如圖4b所示。較高的P+區摻雜濃度可以保證漂移區內的空穴濃度在兩種工作模式下維持較高水平,有利于削弱迅回效應并增大雙極模式下的正向電流密度。

圖5為不同偏置電壓下,靠近器件表面P+結深處水平方向上的空穴濃度。圖5a中,器件正向導通部分為肖特基接觸,MPS二極管的電流主要由肖特基結的熱電子發射效應產生,且此處的空穴濃度維持在較低水平。由于偏低的P+區摻雜濃度使雙極模式開啟需要更大的正向偏置電壓,這也使觸發電導調制效應變得困難,迅回效應也顯著加劇。圖5b中肖特基接觸下方空穴的濃度明顯增大,MPS二極管的P+區開始成為主要導通部分。較大的P+區摻雜濃度加速了空穴的注入并減小了轉折電壓Vturn。

圖5 不同P+區摻雜濃度下P+結深處少子濃度分布Fig.5 Minority carrier concentration distribution in P+ junction depth of P+ region at different doping concentrations

2.2 漂移區摻雜濃度對迅回效應的影響

器件開啟雙極模式首先要在漂移區內觸發大注入效應,進而引發電導調制效應,以降低導通壓降。大注入產生的條件是P+區注入濃度超過漂移區摻雜濃度,所以漂移區濃度會對器件工作模式轉換的難易程度產生影響,并影響其正向特性。同時漂移區濃度的變化也會影響漂移區與擴散區電阻的阻值,進而對器件的正向電流密度產生影響。漂移區不同摻雜濃度所對應的I-V特性如圖6所示。

圖6 MPS二極管不同漂移區摻雜濃度正向I-V特性曲線Fig.6 Forward I-V characteristic curves of MPS diodes with different doping concentrations in drift region

由圖6可知,漂移區濃度Nd=2×1015cm-3時所對應的轉折電壓Vturn為5.4 V,此時的正向電流為4.34×10-6A。而當漂移區的濃度增大至Nd=1×1016cm-3時,轉折電壓Vturn增大至7.34 V,正向電流降低至3.25×10-5A,迅回效應加劇。

降低漂移區摻雜濃度可以優化器件工作模式的轉換,但不利于器件在單極模式下工作。漂移區摻雜濃度的增加會減小電阻模型中RD與Rch的電阻值,因此在單極模式下,應增大器件的正向電流。由此可知,與P+區摻雜濃度對迅回效應特性的影響相比,漂移區摻雜濃度的增加對正向電流的影響更為顯著。

圖7為MPS二極管在不同漂移區摻雜濃度下,漂移區內縱向空穴濃度的分布。由于該區域內部摻雜濃度的提高,不易觸發大注入效應,圖7a中的曲線隨漂移區濃度增大,靠近N+區的彎曲程度逐漸減小,而器件末端區域載流子的復合效應則相應減弱。為了開啟器件雙極模式,需要繼續增大正向偏置電壓來提高注入的空穴濃度,使得轉折電壓Vturn增大,迅回效應加劇。圖7b中空穴濃度顯著提升,漂移區內的復合率有所增加,曲線彎曲程度更高,且復合區隨漂移區濃度的增加更靠近襯底區。

圖7 不同漂移區摻雜濃度下P+區中垂線方向上的少子濃度分布Fig.7 Minority carrier concentration distribution in midperpendicular direction of P+ region with different doping concentrations in drift region

圖8為不同偏置電壓下,靠近器件表面P+結深處水平方向上的空穴濃度。由圖8a可知,肖特基接觸處的空穴濃度隨漂移區摻雜濃度的增大而減小,而器件單極模式下正向電流也將隨之增大。較低的空穴濃度可保證單極模式下具有良好的正向特性,但也使轉折電壓增大,加劇了迅回效應的產生。圖8b中,漂移區空穴濃度隨漂移區摻雜濃度的提升而增大,電導調制效果明顯,載流子分布更加均勻,器件開始轉換為雙極工作模式。

圖8 不同漂移區摻雜濃度下P+結深處少子濃度分布Fig.8 Minority carrier concentration distribution in P+ junction depth of drift region at different doping concentrations

2.3 P+區寬度摻雜濃度對迅回效應的影響

在不改變肖特基區寬度的條件下,探究不同尺寸P+區對迅回效應的影響。選取P+區寬度為1～3 μm的5組數據,其正向I-V特性如圖9所示。

圖9 MPS二極管不同P+區寬度下正向I-V特性曲線Fig.9 Forward I-V characteristic curves of MPS diodes with different P+ region width

隨著P+區寬度L增大到3 μm,轉折電壓下降至3.93 V,與L為1 μm時5.41 V的轉折電壓相比降低了27%。P+區寬度的增加使器件能夠平穩開啟雙極模式,進而提高了器件的抗浪涌電流能力。在迅回效應減弱的同時,器件單極模式下的正向電流也隨著L的增加而增大,同時Vturn與Vback的差值變小,正向特性接近PIN二極管,開啟電壓基本保持不變。在以往對MPS二極管開啟電壓的研究中表明,降低器件開啟電壓需要改變肖特基區的金屬功函數以及肖特基區尺寸。

通過增大P+區寬度,提升向漂移區注入空穴的面積,使得漂移區內空穴濃度在轉折電壓Vturn時相應提升,并使其更易觸發電導調制效應。對比圖7a與圖10a中的濃度曲線可以發現,P+區寬度有所增大,大注入觸發也較為明顯,靠近N+區部分的載流子復合顯著,且曲線彎沉程度大。P+區寬度偏小的器件較晚進入雙極模式,當正向偏置電壓為Vback時,正向電流較大,漂移區內的空穴濃度相對較高,曲線明顯向襯底方向彎沉,復合率則隨P+區寬度的增加而增大,大量注入的少數載流子將造成電流的迅速升高,此時器件總電流由PN結少數載流子電流起主導作用,如圖10b所示。

圖10 不同P+區寬度下P+區中垂線方向上的少子濃度分布Fig.10 Minority carrier concentration distribution in midperpendicular direction of P+ region with different width

P+區的寬度會改變器件的橫向尺寸,靠近器件表面P+結深處水平方向上的空穴濃度,如圖11所示。在不同P+區寬度條件下,器件正向偏置電壓到達轉折電壓Vturn時的正向電流密度相差較小,肖特基接觸處的空穴濃度基本一致。由于較寬的P+區向漂移區注入空穴的接觸面積提升,P+區附近的空穴濃度也維持在偏高水平,如圖11a所示。當器件開始進入雙極模式時,漂移區內空穴濃度便可有所提升。由于器件尺寸發生變化,P+區較寬的MPS二極管能夠在正向電流較小的情況下開啟雙極模式,漂移區空穴載流子濃度則相對較低,如圖11b所示。

圖11 不同P+區寬度下P+結深處少子濃度分布Fig.11 Minority carrier concentration distribution in P+ junction depth of P+ region with different width

3 結束語

本文基于MPS二極管結構的建模,分析了器件正向特性中出現的迅回效應,并對器件抗浪涌電流能力進行優化。通過對不同P+區摻雜濃度、漂移區摻雜濃度和P+區寬度條件下MPS二極管的正向特性進行研究,同時提取迅回效應過程中漂移區空穴濃度在Vturn與Vback時的分布及變化,研究器件工作模式的轉變。結果表明,提高P+區的摻雜濃度及寬度能夠提高漂移區的空穴注入效率,并加快器件開啟雙極工作模式,降低轉折電壓,進而有效抑制迅回效應。提高漂移區的摻雜濃度可以增加器件單極模式下的正向電流,但轉折電壓的增大會使得迅回效應加劇。較低的漂移區摻雜濃度可以抑制迅回效應,但同時也會大幅降低單極模式下的正向電流,因此在參數設定上需要權衡設計。