4H-SiC肖特基二極管載流子輸運(yùn)的溫度效應(yīng)

童武林，孫玉俊，劉益宏，趙高杰，陳之戰(zhàn)

(上海師范大學(xué)數(shù)理學(xué)院，上海200234)

4H-SiC肖特基二極管載流子輸運(yùn)的溫度效應(yīng)

童武林，孫玉俊，劉益宏，趙高杰，陳之戰(zhàn)

(上海師范大學(xué)數(shù)理學(xué)院，上海200234)

摘要:以Cree公司生產(chǎn)的碳化硅肖特基二極管為研究對象，對其進(jìn)行I-V測試．通過對實驗數(shù)據(jù)的理論模擬，研究了碳化硅肖特基二極管的載流子輸運(yùn)機(jī)理及溫度效應(yīng)．研究結(jié)果表明:溫度升高，碳化硅肖特基二極管的肖特基勢壘高度降低，漏電流急劇增加．正向?qū)〞r符合熱電子發(fā)射機(jī)理，鏡像力和隧穿效應(yīng)共同作用使得反向偏壓下的漏電流增加并能較好地和實驗值相一致．

關(guān)鍵詞:碳化肖特基二極管;熱電子發(fā)射;鏡像力;隧穿效應(yīng);溫度

0引言

碳化硅(SiC)材料的寬禁帶、高熱導(dǎo)率、高飽和電子漂移速度、高擊穿電場等特性決定了其在高溫、大功率領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力，對國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)將起到重要的推動作用．SiC存在很多多型結(jié)構(gòu)，其中最常見的是具有立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)的3C-SiC(又稱(β-SiC)和六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的4H-SiC和6H-SiC(又稱α-SiC)[1]．4H-SiC耐受溫度高達(dá)1580 K，器件具有優(yōu)良的高溫工作特性，減少或去除設(shè)備中的冷卻散熱系統(tǒng)，使系統(tǒng)小型化．目前，美國、歐盟、日本等發(fā)達(dá)國家正競相投入巨資對SiC材料和器件進(jìn)行研究．在SiC功率器件中，肖特基二極管(SBD)因其優(yōu)異的性能而備受關(guān)注．美國國防部從20世紀(jì)90年代就開始支持SiC功率器件的研究，1992年就研制出阻斷電壓為400 V的SiC SBD．SiC SBD于21世紀(jì)初成為首例市場化的SiC電力電子器件．

由于SBD在導(dǎo)通過程中沒有額外載流子的注入和儲存，因而反向恢復(fù)電流小、關(guān)斷過程很快、開關(guān)損耗?。捎谒薪饘倥c硅(Si)的功函數(shù)差都不很大，因此傳統(tǒng)的Si SBD的肖特基勢壘較低，反向漏電流偏大，阻斷電壓較低，只能用于一二百伏的低電壓場合，且工作溫度不能超過423 K．SiC SBD彌補(bǔ)了Si基SBD的不足，許多金屬(如鎳、金、鈀、鈦、鈷、鉬等)都可以與SiC形成勢壘高度超過1 eV的肖特基接觸[2-3]，因此是高壓快速與低功率損耗、耐高溫相結(jié)合的理想器件．由于器件本身在工作時會產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致器件的溫度變化，溫度對器件中載流子的運(yùn)動與分布會產(chǎn)生影響，從而影響器件的性能，因此對于SiC SBD的輸運(yùn)機(jī)理及溫度效應(yīng)的研究十分必要[4]．

1實驗

本實驗研究所用器件是Cree公司出售的SiC SBD，產(chǎn)品型號為C3D08065I，基本參數(shù)如下:反向重復(fù)峰值電壓為650 V，398 K下的連續(xù)正向電流為8 A，室溫下的最大耗散功率約為48W[5]．

采用4200SCS半導(dǎo)體參數(shù)分析儀，通過引腳測量SiC SBD的I-V曲線，測量電壓范圍為-200～1 V(反向200 V為最大量程)，測量溫度為300、350、400、450 K(其中反向測量到500 K)．通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，獲得SiC SBD的基本參數(shù)，根據(jù)半導(dǎo)體理論，對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，研究導(dǎo)通機(jī)理及溫度效應(yīng)．

2結(jié)果與討論

圖1是300、350、400、450 K溫度下測試得到的正向IF-VF曲線．當(dāng)所加正向電壓較大時，根據(jù)二極管的折線模型，該段I-V特性曲線可以用線性進(jìn)行擬合，通過與VF軸的截距可得到正向?qū)妷海畧D1插圖是正向?qū)妷号c溫度的關(guān)系，當(dāng)溫度升高時，正向?qū)妷撼示€性下降趨勢．由擬合數(shù)據(jù)可知，溫度每升高1K，正向?qū)妷壕徒档?．00181 V，300 K時的正向?qū)妷簽?．80 V，450 K時的正向?qū)妷合陆档?．53V．通過溫度對導(dǎo)通電壓的影響關(guān)系曲線有利于設(shè)置正常的工作電壓范圍．

圖1不同溫度下測量的正向IF-VF曲線

由于SiC為寬禁帶半導(dǎo)體材料，根據(jù)半導(dǎo)體理論，SiC SBD在較小的正偏壓下可以采用熱電子發(fā)射理論描述器件的I-V特性．當(dāng)復(fù)合電流不能忽略時，加正向偏壓后，正向?qū)娏髅芏?JF)表示為:

其中，A*為有效理查遜常量(4H-SiC為146 A/cm2/K2)[6]，k0為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度，q為電子電荷量，φns為肖特基勢壘高度，n為理想因子．完全滿足熱電子發(fā)射理論時的理想因子n=1，當(dāng)存在產(chǎn)生—復(fù)合電流分量時n大于1．實際情況下，n越接近1，說明電流以熱電子發(fā)射為主．若正向偏壓VF大于3k0T/q(室溫時為7．76×10-2V)，且忽略串聯(lián)電阻的壓降時，(1)式表示為[7]

測量一定溫度下ln JF-VF的關(guān)系曲線，由截距l(xiāng)n Js值，根據(jù)下式可求出肖特基勢壘高度φns:

通過斜率，根據(jù)下式可提取出理想因子n:

必須指出的是，通過上述方法提取理想因子n和肖特基勢壘高度φns有一個優(yōu)點，即它與肖特基有效電學(xué)接觸面積無關(guān)．

根據(jù)圖1測試的IF-VF數(shù)據(jù)，做出不同溫度下的ln JF-VF曲線，利用公式(3)和(4)，可求出不同溫度下的理想因子n和勢壘高度φns，它們隨溫度的變化規(guī)律如圖2所示．在室溫時，n最小為1．12，350 K時n達(dá)到最大為1．19，400 K和450 K時的n值為1．16和1．17．在測量溫度范圍內(nèi)，SBD的理想因子都大于1，但溫度的變化對n值影響不大，說明正向?qū)〞r以熱電子發(fā)射機(jī)理為主．隨著溫度升高，載流子濃度升高，肖特基勢壘高度明顯降低，從室溫下的1．26 eV降低到450 K時的0．89 eV．

圖2理想因子n和肖特基勢壘高度φns隨溫度的變化情況

外加反向電壓時，當(dāng)測試溫度在300、350和400 K時，漏電流很小，小于測試系統(tǒng)的分辨極限，因此無法獲得這3種溫度下漏電流的精確大小，因此當(dāng)溫度小于400 K時，器件的漏電流應(yīng)小于10-9A量級．450和500 K時的IR-VR曲線如圖3所示，黑線代表實測的IR-VR曲線．溫度對漏電流的影響十分明顯，450 K時漏電流在10-6～10-7A量級，而在500 K時，漏電流則增大到10-5～10-6A量級．如果SiC SBD完全遵循熱電子發(fā)射機(jī)理，反向電流為恒定值，顯然與隨著負(fù)偏壓的增加漏電流逐漸增大的實驗事實相悖．

當(dāng)考慮鏡像力時，勢壘高度φns受到鏡像力的影響并不為恒定值，鏡像力增加，勢壘高度降低．當(dāng)SBD加較大的反向偏壓時，鏡像力導(dǎo)致的勢壘高度降低(Δφ)顯著[7]，

其中Emax為界面處最大電場，表示為:

其中εs為SiC的介電系數(shù)，ND為n型半導(dǎo)體的摻雜濃度，VD為自建電勢，VR為外加反向偏壓．當(dāng)考慮鏡像力時，反向電流密度表示為[7]:

根據(jù)公式(5)和(6)代入相應(yīng)參數(shù)可以求出不同VR下對應(yīng)的勢壘高度變化量Δφ，將Δφ帶入公式(7)可以得到考慮鏡像力后的熱電子發(fā)射的修正，作出不同溫度下擬合曲線(圖3中用短虛線表示)．

可以看出，考慮鏡像力后擬合值和實測值的擬合度較高，表明反向偏壓時鏡像力對反向電流產(chǎn)生較大影響，肖特基勢壘降低導(dǎo)致漏電流隨反向偏壓的增加而迅速增大．但是當(dāng)反向偏壓大于150 V后，實驗測試得到的漏電流比僅考慮鏡像力擬合得到的漏電流要大得多．

為了解釋150 V后漏電流迅速增大的原因，有必要考慮隧穿效應(yīng)對漏電流的影響[8]．隧穿效應(yīng)的熱電子場發(fā)射模型導(dǎo)致勢壘降低效應(yīng)與金屬—半導(dǎo)體界面處電場的平方成正比．結(jié)合熱電子發(fā)射模型，考慮鏡像力和隧穿效應(yīng)后的漏電流密度表示為:

圖3變溫下的IR-VR曲線

其中CT為隧穿系數(shù)(4×10-13cm2·V-2)．由式(8)得到擬合曲線(圖3中用長虛線表示)．從圖3中看到，考慮鏡像力和隧穿效應(yīng)時測量值和理論擬合符合得很好．因此除了肖特基勢壘降低導(dǎo)致的漏電流增大，考慮隧穿效應(yīng)后在反向電壓大于150 V時與實驗觀測得到的結(jié)果一致，即漏電流急劇增大與隧穿效應(yīng)有關(guān)．由于反向高壓和高溫都會使漏電流劇增，故必須考慮到漏電流隨溫度升高而增大的情況，保證器件的反向功耗保持在通態(tài)功耗下，確保器件能夠穩(wěn)定工作．

3結(jié)論

通過對碳化硅肖特基二極管的載流子輸運(yùn)特性的變溫測量和數(shù)據(jù)擬合分析，得出如下的結(jié)論:

(1)正向?qū)〞r載流子輸運(yùn)以熱電子發(fā)射為主．隨著器件工作溫度升高，導(dǎo)通電壓呈線性下降趨勢，肖特基勢壘高度降低明顯．

(2)反向漏電流強(qiáng)烈依賴器件溫度，隨著器件溫度的升高，漏電流急劇增大．在溫度一定時，反向偏壓較小時，鏡像力對反向電流有較大影響，反向偏壓較大時，隧穿效應(yīng)引起的漏電流增大是主要原因．

參考文獻(xiàn):

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[7]SZE SM．Physics of Semiconductor Devices[M]．2nd ed，New York:Wiley，1981．

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(責(zé)任編輯:顧浩然，包震宇)

Effect of tem perature on the carrier transport property of 4H-SiC based Schottky barrier diode

TONGWulin，SUN Yujun，LIU Yihong，ZHAO Gaojie，CHEN Zhizhan

(College of Mathematics and Sciences，Shanghai Normal University，Shanghai200234，China)

Abstract:In this paper，the current-voltage(I-V) measurement under different temperatures was carried out on the 4H-SiC Schottky barrier diode(SBD) purchased from Cree Inc．The carrier transportmechanism and the temperature effect of SBD were investigated through the theoretical simulation based on the experimental data．The Schottky barrier height is decreased and leakage current is increased sharply for SBD when the temperatures are increased．The SBD forward bias obeys the hot electron emission mechanism．Taking the image force correction and tunneling effect into consideration，the high leakage current under reverse bias can be reasonably explained and is good agreementwith the experiment results．

Key words:silicon carbide Schottky diode; thermionic emission; image force; tunneling effect; temperature

中圖分類號:TN 303

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1000-5137(2015)04-0430-05

通信作者:陳之戰(zhàn)，中國上海市徐匯區(qū)桂林路100號，上海師范大學(xué)數(shù)理學(xué)院，郵編:200234;E-mail:zzchen@ shnu．edu．cn

基金項目:973計劃預(yù)研專項“超快大功率碳化硅光導(dǎo)開關(guān)關(guān)鍵科學(xué)問題研究”(2012CB326402);上海市科委重點支持項目“碳化硅高溫壓力傳感器設(shè)計及工藝開發(fā)”(13520502700)

收稿日期:2015-06-23