基于SiC 肖特基二極管溫度特性的研究

李金釗

（新加坡南洋理工大學(xué)電子與電氣工程學(xué)院，新加坡 639798）

現(xiàn)代電路系統(tǒng)滿足對高效能量轉(zhuǎn)換日益增長的需求，為寬帶隙半導(dǎo)體器件市場的發(fā)展提供了新的機(jī)遇。使用碳化硅(SiC)等材料制造的寬帶隙功率器件，具有良好的高溫電子學(xué)性能[1-4]。由于受自身擊穿電壓的限制，硅基器件的最高工作溫度僅為150 ℃，而SiC 器件則能在更高的工作溫度下使用。同時因其禁帶寬度較大，所以還為制備具有優(yōu)異高溫電子學(xué)性能的器件提供了良好的基礎(chǔ)[5-9]。雖然SiC肖特基勢壘二極管(Schottky Barrier Diode，SBD)器件在高溫以及高電流密度下的工作能力得到了顯著提升，但其也存在一系列問題。其中最為關(guān)鍵的便是SiC 器件在高溫環(huán)境下的可靠性問題，這直接決定了器件的穩(wěn)定性。王帥等人報(bào)道稱，SiC 功率器件在較高的溫度下可能會因?yàn)椴焕硐氲纳岫鴮?dǎo)致器件失效，這也極大地影響了器件的進(jìn)一步應(yīng)用[10]。然而，目前對于SiC 肖特基二極管的高溫特性研究仍較少。文中選取了鉑(Pt)肖特基金屬進(jìn)行仿真，研究了SiC 肖特基二極管在高溫下的器件特征，進(jìn)而明確其在高溫下的工作特性，為深入理解SiC 肖特基二極管的工作機(jī)制提供指導(dǎo)。

1 肖特基二極管的原理

1.1 肖特基勢壘

肖特基二極管是由肖特基金屬與半導(dǎo)體材料相接觸而形成的接觸勢壘，進(jìn)而構(gòu)成一個金-半接觸界面，使得該界面成為具有整流特性的器件系統(tǒng)[11]。半導(dǎo)體材料存在著載流子濃度梯度變化這一基本特性，其會令電子從半導(dǎo)體一側(cè)向金屬一側(cè)不斷擴(kuò)散，導(dǎo)致金-半接觸半導(dǎo)體一側(cè)界面的載流子濃度降低，進(jìn)而不可避免地形成了接觸勢壘。由于接觸勢壘的存在，引發(fā)了電子和空穴的漂移運(yùn)動，且當(dāng)兩種運(yùn)動達(dá)到平衡狀態(tài)時便形成了肖特基勢壘。

1.2 肖特基二極管的基本結(jié)構(gòu)

肖特基二極管由熱載流子起主導(dǎo)作用，所以也被稱作熱載流子二極管。該器件的基本組成結(jié)構(gòu)是肖特基勢壘所形成肖特基結(jié)，其最重要的特征是正向電壓降的數(shù)值相對較小。然而，肖特基二極管也存在一定的不足，例如漏電流較大以及耐壓比偏低等。因此對肖特基二極管的溫度特性進(jìn)行深入研究，對于理解其工作機(jī)制至關(guān)重要。

2 SiC肖特基二極管仿真物理模型

2.1 器件仿真物理模型架構(gòu)

求解漂移-擴(kuò)散模型中所包含的三個方程，即泊松方程(Poisson’s equation)、載流子連續(xù)方程(Continuity equations)以及載流子輸運(yùn)方程(Carrier transport equation)，是對半導(dǎo)體器件電學(xué)特性進(jìn)行仿真的重要理論基礎(chǔ)[12-14]。

2.1.1 泊松方程

泊松方程通常被用來計(jì)算半導(dǎo)體器件中電勢的分布情況，該方程的表達(dá)式為：

式中，ψ為電勢，ε為介電常數(shù)，p和n分別為空穴及電子密度，q為電子電量分別為電離施主雜質(zhì)濃度和電離受主雜質(zhì)濃度。

2.1.2 載流子連續(xù)方程

載流子連續(xù)方程被用來求解半導(dǎo)體器件中各處載流子的濃度情況，該方程可表征為：

式中，Jn和Jp分別為電子與空穴電流密度，且電子與空穴的復(fù)合概率為R。

2.1.3 載流子輸運(yùn)方程

載流子輸運(yùn)方程被用來計(jì)算電子與空穴的電流密度情況，其表達(dá)式為：其中，電子和空穴的遷移率分別表示為un與up，二者的準(zhǔn)費(fèi)米勢則分別為φn和φp。

2.2 高溫特性的仿真物理模型架構(gòu)

肖特基二極管高溫特性仿真主要加載的物理模型包括受半導(dǎo)體中摻雜濃度影響的遷移率模型、有效本征密度模型以及肖克萊-里德-霍爾復(fù)合模型。

其中，受半導(dǎo)體中摻雜濃度影響的遷移率模型在仿真SiC 肖特基二極管的高溫特性中較為重要。遷移率與載流子的有效質(zhì)量與受到的散射概率關(guān)系密切，且肖特基二極管器件中發(fā)生散射的機(jī)制與器件的工作溫度密切相關(guān)[15-16]。

3 仿真實(shí)現(xiàn)

仿真中采用的軟件ISE-TCAD 是瑞士ISE 公司開發(fā)的，該軟件包括二維、三維和工藝流程編輯等一系列仿真工具。

在ISE-TCAD 軟件的Genesise 子平臺中，設(shè)置器件的襯底長度為20 μm，厚度為16 μm；外延層長度為20 μm，厚度為3 μm；金屬Pt長度均為5 μm，厚度為2 μm；且摻雜采用N 型，襯底摻雜濃度為1×1019cm-3，外延層摻雜濃度為6×1015cm-3。同時，還對在高溫下影響器件的物理模型進(jìn)行選擇，加載了如上節(jié)所述的三個物理模型。

選擇完器件的物理模型后，將電壓加至半導(dǎo)體的兩端，之后編輯基本操作命令。輸入對應(yīng)的器件參數(shù)，包括溫度、電壓等，并進(jìn)行器件的仿真運(yùn)行，從而提取仿真數(shù)據(jù)和器件的電學(xué)特性曲線。

為了得到Pt/SiC 肖特基二極管在高溫下的器件特性，對其伏安特性進(jìn)行了仿真，并在此次仿真中對工作狀態(tài)下的電極溫度設(shè)置了不同參數(shù)（25～200 ℃），進(jìn)而觀察器件的I-V特性變化情況[17]。

4 數(shù)據(jù)結(jié)果分析

4.1 不同溫度下的伏安特性

4.1.1 正向伏安特性

Pt/SiC 肖特基二極管在不同溫度下的正向伏安特性曲線，如圖1 所示。室溫（25 ℃）為器件最普遍的工作環(huán)境狀態(tài)，所以該溫度下器件的I-V特性極為重要。圖1 中顯示了器件在室溫下的正向I-V特性。由圖中可知，Pt/SiC 肖特基二極管器件的開啟電壓為0.2 V。隨著偏壓的不斷增加，正向電流的水平也顯著增大。當(dāng)外加偏壓處于較小值時（0～0.2 V），電流水平迅速增大，此時器件處于小注入狀態(tài)；而當(dāng)電壓范圍處于較大的情況下（0.2～2 V），器件的電流近似為另一條斜率較小的折線，此時器件處于大注入狀態(tài)。

圖1 器件的正向伏安特性曲線

在正向偏壓下，電流隨電壓的變化是明顯不同的。這是由于在大注入狀態(tài)下，多數(shù)載流子的濃度遠(yuǎn)高于平衡時的載流子濃度，由此不可避免地導(dǎo)致勢壘區(qū)的電場發(fā)生了改變，這與實(shí)際二極管器件的I-V特性相符合。

當(dāng)電壓處于0～0.2 V 范圍內(nèi)時，隨著溫度的增加，器件電流的變化也較大，并與器件在常溫下的IV特性類似，此時器件處于未開啟的工作狀態(tài)；而隨著偏壓的不斷增大(0.2～2 V)，處于較高溫度水平下伏安特性曲線的變化趨勢更為平緩，且與器件常溫下的I-V特性類似。

由此可見，隨著溫度的增大器件正向的工作電流水平降低。

二極管的正向電流可以被描述為：

其中，I0為反向飽和電流，η為理想因子，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。該公式反映的器件I-V特性的變化特征與仿真結(jié)果一致，從而證明了仿真結(jié)果的可靠性。

4.1.2 反向伏安特性

圖2 顯示了器件在不同溫度下的反向I-V特性。從圖中可以看出，反向漏電流的水平顯著低于正向電流約兩個數(shù)量級以上。這表明，Pt/SiC 肖特基二極管在常溫下具有良好的開關(guān)比。

圖2 器件的反向伏安特性曲線

當(dāng)器件溫度處于50～200 ℃范圍內(nèi)時，反向電流趨于飽和狀態(tài)。進(jìn)而表明，由熱電子發(fā)射產(chǎn)生的電流構(gòu)成了高溫下Pt/SiC肖特基二極管的主導(dǎo)電流。

4.2 不同溫度下的器件性能分析

4.2.1 開啟電壓

在肖特基二極管正負(fù)極之間施加額外電壓，當(dāng)該電壓大于一定的電壓值時，二極管電流便開始迅速增大，此時二極管開始導(dǎo)通，這個電壓也稱作開啟電壓。確定開啟電壓在不同溫度下的具體數(shù)值，對評價二極管高溫下的性能也較為關(guān)鍵。

圖3 所示為在不同溫度下Pt/SiC 肖特基二極管的開啟電壓變化曲線。仿真結(jié)果表明，在外加偏壓較小時，溫度越高則開啟電壓越小。這是由于隨著溫度的升高，載流子輸運(yùn)會變得更加劇烈，也正因如此便會導(dǎo)致開啟電壓的降低。

圖3 不同溫度下Pt/SiC SBD的開啟電壓

4.2.2 導(dǎo)通電阻

導(dǎo)通電阻是指肖特基二極管導(dǎo)通后半導(dǎo)體與金屬兩端的電壓及導(dǎo)通電流之比。導(dǎo)通電阻也是評價肖特基二極管性能的重要參數(shù)之一。

不同溫度下Pt/SiC 肖特基二極管的導(dǎo)通電阻，如圖4 所示。可以看出，隨著溫度的升高，肖特基二極管的導(dǎo)通電阻也在逐漸增大。這是由于溫度的不斷增加使得電子有了更多的能量，其可以更輕松地越過勢壘層，從而不可避免地導(dǎo)致該導(dǎo)通電阻的阻值隨著溫度的增大而逐漸升高。

圖4 Pt/SiC SBD的導(dǎo)通電阻變化曲線

4.2.3 電子遷移率

在一定時間內(nèi)，電子所經(jīng)過的路徑是多次散射后的凈長度。隨著電壓的升高，散射發(fā)生的概率也會更加頻繁；而施加電壓的時間越長，散射發(fā)生的頻率也就越大，由于其在封閉空間內(nèi)散射，故其散射后的路徑凈長度將減小。因此，電子運(yùn)動的凈路徑與電壓和時間成反比。在固體電子學(xué)中，定義散射事件頻率的物理量被稱作電子遷移率。

不同溫度下，Pt/SiC 肖特基二極管的電子遷移率如圖5 所示。隨著溫度的不斷升高，電子發(fā)生散射現(xiàn)象的概率迅速升高，這表明溫度對遷移率有著較大的影響。因此，在肖特基二極管中，電子遷移率隨著環(huán)境溫度的不斷升高而逐漸降低。且當(dāng)環(huán)境溫度上升時，即使忽略由于器件自身熱效應(yīng)所產(chǎn)生的熱量，所提器件的正向特性也會出現(xiàn)極為明顯的退化，從而對肖特基二極管的可靠性造成較大影響。

圖5 不同溫度下Pt/SiC SBD的電子遷移率

5 結(jié)束語

文中采用仿真測試的手段，對Pt/SiC 肖特基二極管器件在不同環(huán)境溫度下的特性進(jìn)行研究。結(jié)果表明，在正偏的情況下隨著溫度的提升，文中所述器件的電流水平逐漸降低；而器件在反偏時，反向電流的水平會隨著溫度的升高而急劇增大，進(jìn)而令熱電子發(fā)射電流占據(jù)主導(dǎo)地位。同時，該研究結(jié)果還證明了，高溫下SiC 基器件的性能要明顯優(yōu)于硅基器件。但隨著環(huán)境溫度的不斷升高，Pt/SiC 肖特基二極管器件的開啟電壓逐漸降低，而導(dǎo)通電阻則會劇增。綜合以上因素可以得出結(jié)論，SiC 肖特基二極管在高溫下的正向工作特性會出現(xiàn)明顯退化，且該器件在高溫環(huán)境下難以表現(xiàn)出理想的電學(xué)特性。此外，該研究為理解碳化硅肖特基二極管器件的高溫工作機(jī)制提供了理論參考。