4H-SiC pn結(jié)二極管工作區(qū)的研究

王炯杰陳潔萌

（1.中石化天津液化天然氣有限責任公司，天津 300457；2.天津津濱發(fā)展股份有限公司，天津 300457）

4H-SiC pn結(jié)二極管工作區(qū)的研究

王炯杰1陳潔萌2

（1.中石化天津液化天然氣有限責任公司，天津 300457；2.天津津濱發(fā)展股份有限公司，天津 300457）

基于碳化硅材料的優(yōu)越性能，進行了4H-SiC pn結(jié)二極管正向工作區(qū)內(nèi)電學(xué)特性和熱學(xué)特性的模擬研究。仿真分析表明4H-SiC pn結(jié)二極管具有高溫穩(wěn)定性，在溫度達到600K時仍具有穩(wěn)定的擴散區(qū)，壓降在1.4V～1.9V區(qū)間，電流范圍為10-8A～10-3A，理想因子n為1.7～1.8，明顯優(yōu)于Si二極管。

4H型碳化硅 二極管 擴散區(qū) 理想因子

近年來，以Si技術(shù)為基礎(chǔ)的材料和器件的性能接近理論極限，因此寬緊帶材料及器件逐漸成為半導(dǎo)體領(lǐng)域研究的重點。例如發(fā)光二極管、太陽能電池，幾乎都是基于pn結(jié)原理［1］。因此研究SiC二極管，對于進一步研究和制作各種相關(guān)器件十分關(guān)鍵。

SiC二極管相比Si二極管的耐高壓、耐高溫、損耗低等優(yōu)越性能，一直是研究者們關(guān)注的熱點。近年來一系列對SiC二極管的研究，均是從二極管的高溫特性和摻雜濃度入手，對正向工作區(qū)的狀態(tài)沒有過深入研究。本文針對4H-SiC pn結(jié)二極管不同溫度下的工作區(qū)進行仿真，對比Si-pn結(jié)二極管，得出可供參考的數(shù)據(jù)，對選取4H-SiC pn結(jié)二極管適用擴散區(qū)范圍達到理想工作狀態(tài)有重要意義。

1　模型

本文運用仿真軟件建立了4H-SiC pn結(jié)二極管模型，為了反應(yīng)SiC二極管的電學(xué)特性和溫度特性，用到以下模型。

1.1遷移率模型

模擬采用了低電場的遷移率模型［2］：

1.2載流子產(chǎn)生-復(fù)合模型

應(yīng)用Shockley和Read以及Hall建立起來的效應(yīng)理論，即SRH模型［2］：

2　仿真與分析

仿真采用的4H-SiC pn結(jié)二極管p+n-n結(jié)構(gòu)。器件襯底為摻雜n+，襯底上生長n型外延，厚度為3.8μm，濃度為1.0×1016cm-3。其上再生長濃度為2.0×1019cm-3的p+型外延。

2.1正向I-V特性

二極管正向工作區(qū)由三部分組成：小電流區(qū)、少子擴散區(qū)、復(fù)合電流區(qū)。圖1所示，正偏電流在10μA附近，Si二極管的電壓為0.6V，SiC二極管為2.55V。已知理想二極管公式（3），得出理想因子n為1，即二極管工作在少子擴散區(qū)。

因此研究正向工作區(qū)可以反應(yīng)出材料之間的Eg關(guān)系?？梢钥闯?，SiC二極管正向壓降較大，因此SiC的禁帶寬度遠高于Si的禁帶寬度。模擬得出在理想因子n=1時，Si半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg約為1.12eV，4H-SiC半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg約為3.2eV。

圖1所示，ID為擴散區(qū)電流，IL為大電流區(qū)電流。Si二極管在0.3V～0.8V的理想因子接近1，即擴散區(qū)；在1V以后逐漸進入復(fù)合區(qū)。SiC二極管擴散區(qū)2.1V～2.6V，此時理想因子最接近于1；在電壓為2.7V，電流為20mA時，SiC二極管的理想因子接近于2，復(fù)合作用占主導(dǎo)。

2.2工作區(qū)理想因子和電學(xué)特性分析

為了反映不同溫度下，4H-SiC pn結(jié)二極管正向工作區(qū)的變化情況，圖2對300K～600K溫度范圍內(nèi)的SiC二極管正向特性進行了模擬。T=300K時，理想工作區(qū)約在1.7V～2.6V，n為1～1.25。而T=600K時，正偏壓在1.4V～1.8V，n為1.7～1.8。隨著電壓的增加，n逐漸增大至2，電流達到飽和狀態(tài)。隨著溫度升高，SiC二極管擴散區(qū)的理想因子n在1～2之間呈緩慢上升趨勢，體現(xiàn)了其耐高溫特性。

3　結(jié)語

本文對4H-SiC pn結(jié)二極管正向工作區(qū)的相關(guān)參數(shù)模擬研究。分析表明，常溫下4H-SiC pn結(jié)二極管正向工作區(qū)在電流范圍10-14A~10-2A，理想因子n為1。隨溫度升至600K，SiC二極管擴散區(qū)n范圍在1~2。這是由于SiC材料的寬緊帶特性，使得電流在高溫下仍因少數(shù)載流子擴散引起，仍具有理想因子接近1的擴散區(qū)范圍。體現(xiàn)了SiC二極管的耐高溫性。本文對選取4H-SiC pn結(jié)二極管適用擴散區(qū)范圍達到理想工作狀態(tài)有重要意義。

［1］鐘德剛，徐靜平，高俊雄.Pt/6H-SiC肖特基勢壘二極管特性分析［J］.微電子學(xué)，2003，33（1）：26-28.

［2］S.賽爾勃赫.半導(dǎo)體器件的分析與模擬［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻出版社，1986，100-109.