立方氮化硼空間電荷限制肖特基二極管研究

侯國(guó)華，姜麟麟

(1.吉林廣播電視大學(xué)開(kāi)放學(xué)院，長(zhǎng)春 130022;2.吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

立方氮化硼空間電荷限制肖特基二極管研究

侯國(guó)華1，姜麟麟2

(1.吉林廣播電視大學(xué)開(kāi)放學(xué)院，長(zhǎng)春 130022;2.吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

為解決金屬/立方氮化硼(c-BN)接觸問(wèn)題，提出Si摻雜的立方氮化硼單晶的上表面采用Cu-Zn合金探針、下表面采用Ag漿燒結(jié)，制備一個(gè)空間電荷限制肖特基二極管。室溫下I-V特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在10 V時(shí)器件的整流比為370。提出了該器件的等效電路模型，并且結(jié)合空間電荷限制電流和熱電子發(fā)射理論對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，正向電流與電壓呈現(xiàn)二次冪函數(shù)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，該二極管開(kāi)啟電壓高達(dá)4.2 V，最高工作溫度超過(guò)500℃。

金屬/立方氮化硼;整流;空間電荷限制電流;等效電路模型

0 引 言

近年來(lái)，人們對(duì)高溫器件和紫外光電器件不斷關(guān)注與需求，立方氮化硼(c-BN)由于諸多優(yōu)良的性能，如高硬度(僅次于金剛石)、導(dǎo)熱系數(shù)高(常溫下約14W/(cm·K))和電子態(tài)禁寬寬度達(dá)到10.24×10－19J，是理想的切削加工刀具材料等而備受關(guān)注。在電子學(xué)方面，c-BN(Cubic Boron Nitride)可用作深紫外光電傳感器和紫外光發(fā)光器件，其化學(xué)穩(wěn)定性好，適合于高溫、大功率應(yīng)用。因此，立方氮化硼被認(rèn)為是優(yōu)良的半導(dǎo)體寬禁帶材料之一，只是因?yàn)榇蟪叽鐔尉Р牧虾铣珊图庸だщy而限制了其在應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展［1］。

通過(guò)雜質(zhì)熱擴(kuò)散工藝，將c-BN單晶進(jìn)行N型和P型摻雜，制備出高溫半導(dǎo)體器件，可應(yīng)用在航天器和新能源汽車鋰電池組件旁路并聯(lián)保護(hù)二極管，具有正向DC4.2 V的開(kāi)啟電壓和較大的工作電流。

1987年，Mishima等［2］在高溫高壓條件下，利用程序溫度控制的外延生長(zhǎng)技術(shù)，首次制備出立方氮化硼單晶體(c-BN)同質(zhì)結(jié)，P型區(qū)摻雜Be、N型區(qū)摻雜Si，觀察到了整流特性和空間電荷區(qū)的存在，器件可以在500℃以上工作。

目前對(duì)于異質(zhì)結(jié)研究報(bào)道居多，如c-BN/Si［3-6］。但由于Si材料本征激發(fā)溫度小于200℃，器件無(wú)法在高溫條件下工作，并且在c-BN/Si界面存在非立方相的t-BN層，嚴(yán)重影了其整流特性。解決方法是在c-BN上生長(zhǎng)寬禁帶的半導(dǎo)體材料層，如ZnO(5.12×10－19J)或金剛石(diamond，8.72×10－19J)薄膜，制備異質(zhì)結(jié)二極管［7，8］，這種結(jié)構(gòu)的器件性能雖好，但工藝復(fù)雜。

筆者利用空間電荷限制電流效應(yīng)設(shè)計(jì)制作了金屬/c-BN體單晶接觸的整流器件，該整流器件可以在超過(guò)500℃以上工作。通過(guò)Cu-Zn探針接觸和燒結(jié)銀漿的方式，在Si摻雜的c-BN單晶上形成肖特基接觸和歐姆電極，成功制備了具有整流特性的器件，研究了樣品器件的I-V特性，并對(duì)電流輸運(yùn)機(jī)制進(jìn)行了分析和探討。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用的c-BN樣品是在高溫高壓條件下通過(guò)催化劑合成的片狀琥珀色的材料，尺寸為面積500μm×500μm，厚度100μm。

1.1 清洗處理

將c-BN單晶片用HNO3和HCl混合溶液處理［8］，比例為1∶3.5，清除表面的金屬離子;用甲苯、丙酮和乙醇溶液進(jìn)行超聲清洗，再用去離子水沖洗片狀c-BN樣品，然后置于紅外烘箱烘干備用。

1.2 Si擴(kuò)散摻雜的實(shí)現(xiàn)

在石墨舟中，將烘干后的樣品埋入硅粉(粒徑＜1mm)，置于入管式高溫爐中。然后抽真空，加熱爐溫，待溫度達(dá)到800℃時(shí)，進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散5 h［8］，然后停止加熱，真空下冷卻至室溫;取出樣品，用1∶3.5比例的氫氟酸和硝酸溶液處理，去除表面物理吸附的殘余硅原子，制備出Si摻雜的c-BN樣品。

1.3 電極制作

在印刷有電極引線的氧化鋁襯底上，均勻地涂上薄薄的銀漿，將Si摻雜的c-BN單晶置于銀漿膜上，500℃下恒溫?zé)Y(jié)0.5 h，使c-BN與金屬Ag形成冶金學(xué)接觸。

1.4 器件的制備

將Si摻雜的c-BN單晶，上表面采用Cu-Zn合金探針、下表面采用Ag漿燒結(jié)形成電極，得到M-cBN-M結(jié)構(gòu)的器件(見(jiàn)圖1)。

1.5 室溫下I-V特性測(cè)試

將器件放置在自制的測(cè)試臺(tái)上，進(jìn)行I-V特性測(cè)試，測(cè)試電路如圖2所示。X-Y函數(shù)記錄儀記錄電壓電流值，并將數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)處理后，得到I-V特性曲線。由曲線特性可以看出，器件具有良好的整流特性。

圖1 器件的側(cè)視圖與俯視圖Fig.1 Side view and top view of the device

圖2 靜態(tài)電流電壓測(cè)試電路Fig.2 The static current voltage test circuit diagram

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 I-V 特性曲線

正向看，當(dāng)電壓大于4 V時(shí)，正向電流迅速增加;從反向特性看，在25 V以內(nèi)，電流都非常小。大于25 V后，電流慢慢增加，表明了器件的整流特性。若以10μA電流為限，器件的開(kāi)啟電壓約為4.2 V。在10 V時(shí)整流比約為370。

圖4為器件的log I-V曲線。由圖4可知，曲線是非線性的，并且出現(xiàn)了多個(gè)不同增長(zhǎng)趨勢(shì)的部分，這表明器件正向I-V曲線偏離了理想肖特基二極管。在2～4 V電壓區(qū)間曲線斜率最陡，用熱電子發(fā)射理論描述，有

其中k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，q為電子電量，n為理想因子。從線性擬合中得到此區(qū)間器件的理想因子n=18.7，并沒(méi)有落在1～2的區(qū)間內(nèi)。而在更高的電壓下，電流增長(zhǎng)明顯變緩。因此可知熱電子發(fā)射機(jī)制受到了限制，其他電流輸運(yùn)機(jī)制占據(jù)主導(dǎo)地位。

為了進(jìn)一步了解c-BN整流器件的電學(xué)特性，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了雙對(duì)數(shù)處理(見(jiàn)圖5)。在低壓時(shí)，由于測(cè)量?jī)x器本身精度所限，數(shù)據(jù)點(diǎn)比較混亂，僅有藍(lán)線附近一部分?jǐn)?shù)據(jù)斜率m=1，即I∝V;在2～4 V區(qū)間，m≥17，電流電壓冪指數(shù)很高，電流隨電壓快速增長(zhǎng);4 V以后，漸漸過(guò)渡到二次曲線;6 V時(shí)，m=2，即I∝V2。該電流電壓依賴關(guān)系與存在陷阱中心的絕緣體中電荷限制電流輸運(yùn)機(jī)制相符合。

圖5 器件的正向log I-log V圖Fig.5 Device forward log I-log V diagram

圖4 器件的正向log I-V圖Fig.4 Device forward log I-V diagram

圖3 器件I-V特性測(cè)試圖Fig.3 The I-V property of the device test chart

c-BN的禁帶寬度為10.24×10－19J，屬于傳統(tǒng)意義上的絕緣體。眾所周知，對(duì)于存在陷阱中心的絕緣體的空間電荷限制電流與電壓的關(guān)系為［9，10］

低電壓時(shí)，陷阱俘獲注入電子，主要是本底載流子導(dǎo)電，I∝V;中等電壓時(shí)，載流子不斷填充陷阱中心，隨著注入電子數(shù)不同(即外加電壓不同)，導(dǎo)帶電子與陷阱俘獲電子達(dá)到不同的平衡狀態(tài)，即θ是電壓的函數(shù)，I∝Vm，m＞ 2;當(dāng)電壓較大時(shí)，陷阱中心幾乎填滿，θ與電壓無(wú)關(guān)，I∝V2。綜上所述，空間電荷限制電流機(jī)制主導(dǎo)著器件的電學(xué)特性。

2.2 等效電路模型

器件中有3種電流輸運(yùn)機(jī)制：1)本底載流子的歐姆電流;2)空間電荷限制電流;3)越過(guò)肖特基勢(shì)壘的熱電子發(fā)射電流。前兩者為體效應(yīng)，故相互為并聯(lián)關(guān)系，第3者接觸界面效應(yīng)與前兩者串聯(lián)。

圖6所示為器件的等效電路模型。其中，恒定電阻R1表示歐姆電流，電壓控制電阻R2表示空間電荷限制電流，D3表示肖特基二極管 SBD(Schottky Barrier Diode)器件。正向偏壓，即探針接正、Ag電極接負(fù)：當(dāng)電壓較小時(shí)，電子被陷阱中心俘獲，空間電荷限制電流SCLC(Space Charge Limited Current)受到抑制，R2很大;有一定濃度本底載流子c-BN能傳輸較小的電流，R1小于R2;對(duì)于D3，此時(shí)，二極管的微分電阻也相對(duì)較小，因此總體上R1主導(dǎo)電流輸運(yùn)。隨電壓增加，陷阱中心不斷捕獲電子，R2將越來(lái)越小，最終達(dá)到R2＜R1;二極管的工作電壓達(dá)到開(kāi)啟電壓后，電流急劇增加。R2反應(yīng)出空間電荷限制電流效應(yīng)，I∝Vm，m≥2。

反向偏壓：當(dāng)電壓較小時(shí)，肖特基二極管反偏，電流僅為反向漏電流，此時(shí)R1、R2都遠(yuǎn)小于D3，D3主導(dǎo)著電流輸運(yùn)，器件處于截止?fàn)顟B(tài);當(dāng)電壓足夠大時(shí)，肖特基二極管發(fā)生齊納擊穿(隧道效應(yīng))，大量電子注入到c-BN中，此時(shí)D3變得很小，大量電子注入使R2變小，R2＜R1，此時(shí)，R2主導(dǎo)著電流的輸運(yùn)。

圖6 器件等效電路模型Fig.6 Equivalent circuitmodel of the device

3 結(jié)語(yǔ)

筆者利用空間電荷限制電流效應(yīng)和肖基特接觸設(shè)計(jì)制作了金屬/c-BN體單晶接觸的整流器件。室溫下I-V特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，器件有明顯的整流特性，在10 V時(shí)器件的整流比為 370;正向電流與電壓關(guān)系偏離理想的肖特基二極管，而空間電荷電流機(jī)制主導(dǎo)樣品器件的電學(xué)特性。結(jié)合空間電荷限制電流和熱電子發(fā)射理論對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，并提出了器件的等效電路模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)于c-BN高溫整理器件的應(yīng)用具有一定意義，對(duì)寬禁帶半導(dǎo)體肖特基二極管的制作具有啟發(fā)作用。

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Space-Charge-Limited Currents in c-BN Schottky Diodes

HOU Guohua1，JIANG Linlin2

(1.College of Open，Jilin Radio and TV University，Changchun 130022，China;2.College of Automotive Engineering，Jilin University，Changchun 130022，China)

To solve the themetal/cubic boron nitride(c-BN)contact problem，we put forward the Sidoping of cubic boron nitride single crystal on the surface of the Cu-zinc alloy probe，the surface uses the Ag plasma sintering，the preparation of a space charge limited schottky diode.The experimental data showed that the characteristics of I-V at room temperature，the device in DC10 V when the rectification ratio is 370;the positive current and voltage is two times the power function relationship.With the space charge limited current and thermionic emission theory，the experimental results are analyzed，and the equivalent circuitmodel of the sample device.

metal/cubic boron nitride;rectifier;space charge limited current;equivalent circuitmodel

TN31

A

1671-5896(2014)03-0284-04

2014-02-26

侯國(guó)華(1959— )，男，長(zhǎng)春人，吉林廣播電視大學(xué)副教授，主要從事半導(dǎo)體器件和傳感器的實(shí)驗(yàn)研究，(Tel)86-13074319080(E-mail)434208808@qq.com。

劉東亮)