淺析高溫Ti4H—SiC肖特基勢(shì)壘二極管的特性

【摘要】SiC是新一代高溫、高頻、大功率和抗輻照半導(dǎo)體器件和集成電路的半導(dǎo)體材料，具有高擊穿電場(chǎng)、高飽和電子漂移速率、高熱導(dǎo)率及抗輻照能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)肖特基勢(shì)壘二極管是實(shí)現(xiàn)各種SiC器件的基礎(chǔ)，因此對(duì)SiC肖特基勢(shì)壘二極管高溫特性的研究具有十分重要的理論和實(shí)際意義。

【關(guān)鍵詞】碳化硅；肖特基勢(shì)壘二極管；伏安特性；熱電子發(fā)射理論

第三代寬帶隙半導(dǎo)體材料SiC特別適合制作高壓、高溫、高功率、耐輻照等半導(dǎo)體器件，使得其在航空航天綜合工程、核動(dòng)力工程、礦物開(kāi)采與加工、化學(xué)工業(yè)、汽車制造業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。近年來(lái)，SiC器件在高溫特性研究和應(yīng)用方面都取得了很大的進(jìn)展。目前，對(duì)高于550K的肖特基二極管的特性未見(jiàn)報(bào)道，而550K的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足目前對(duì)極端電子器件的要求，也沒(méi)有發(fā)揮SiC的優(yōu)勢(shì)[1～3]，需要我們進(jìn)行進(jìn)一步的研究探索。

1.肖特基二極管的器件結(jié)構(gòu)

主要工藝流程是：

（1）制備樣片，超聲清洗晶片，之后用1號(hào)、2號(hào)洗液清洗，再用高純冷熱去離子水沖洗。

（2）有源區(qū)厚氧化，光刻，離子注入三價(jià)金屬（Al，B）形成p型摻雜區(qū)，1650℃真空退火。

（3）襯底在高真空中電子束蒸發(fā)厚度為1.2Lm的Ti、Ni、Ag合金，在氬氣保護(hù)下950℃退火，形成歐姆接觸。

（4）有源區(qū)光刻，外延層在高真空電子束蒸發(fā)厚度為1Lm的Ni（Ti），在氬氣保護(hù)下650℃退火，形成肖特基接觸，在Ni（Ti）上蒸Au作為加厚及防氧化保護(hù)層。

（5）反刻N(yùn)i（Ti）、Au，劃片，燒結(jié)，壓焊，封裝和測(cè)試。

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

SiC材料具有很寬的禁帶寬度（4H-SiC的禁帶寬度Eg=3.26eV），決定了其器件具有良好的溫度特性，能夠在很寬的溫度區(qū)間范圍正常工作。由于封裝技術(shù)限制，我們對(duì)SDT06S60器件做了寬溫區(qū)（-100～500℃）的溫度特性研究，對(duì)實(shí)驗(yàn)室研制的Ti肖特基勢(shì)壘二極管和Ni肖特基勢(shì)壘二極管做了從室溫（20℃）到320℃溫度范圍的溫度特性研究。采用改進(jìn)型恒流源電路，在肖特基勢(shì)壘二極管上加恒定的正向電流，同時(shí)采用直流穩(wěn)壓源作為電源，保證電流和外加電壓的恒定，對(duì)SDT06S60器件，我們?cè)O(shè)定工作電流為8mA，在低溫條件下（-100～+20℃），采用Keithley 182儀器記錄了肖特基勢(shì)壘二極管正向壓降隨溫度變化的關(guān)系；在可控高溫爐中測(cè)量了器件在高溫時(shí)正向壓降隨溫度變化的關(guān)系。

對(duì)于Ti肖特基勢(shì)壘二極管和Ni肖特基勢(shì)壘二極管，選電流為0.5mA，在可控高溫爐中測(cè)量了器件在高溫時(shí)正向壓降隨溫度變化的關(guān)系。本研究沒(méi)有涉及這一問(wèn)題，目前還沒(méi)有見(jiàn)到對(duì)此進(jìn)行深入研究的報(bào)道。

3.結(jié)論

通過(guò)對(duì)測(cè)試結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)熱電子發(fā)射是正向電流密度的主要輸運(yùn)機(jī)理。和室溫條件相比，反向電流密度僅僅取決于隧道電流，熱電子發(fā)射電流和耗盡層中復(fù)合中心產(chǎn)生電流都隨溫度的升高而大大增加，必須加以考慮。

肖特基勢(shì)壘二極管的理想因子、串聯(lián)電阻、肖特基勢(shì)壘高度均與溫度相關(guān)。對(duì)于本文采用的Ti/4H—SiC樣品，在溫度為395K和528K時(shí)，理想因子分別為1.35和1.39，串聯(lián)電阻Ron分別為2.7mΩ·cm2和8.9mΩ·cm2肖特基勢(shì)壘高度分別約為0.86eV和1.03eV，開(kāi)啟電壓基本保持不變，為0.5V左右。

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