正向偏置(p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)電特性的模擬

張錦濤，趙少云，韋文生，鄭君鼎，何明昌

(溫州大學(xué)數(shù)理與電子信息工程學(xué)院，浙江溫州 325035)

間接帶隙碳化硅（SiC）、直接帶隙氮化鎵（GaN）半導(dǎo)體以其高的禁帶寬度、飽和漂移速度、臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)、熱導(dǎo)率等特性成為制造現(xiàn)代電子器件的優(yōu)選材料[1].SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以同時(shí)發(fā)揮SiC的導(dǎo)熱好、空穴與電子電離率差異大以及GaN的電子遷移率高、In(Al)xGa1-xN的能帶可調(diào)等優(yōu)勢(shì)，在功率電子、紫外探測(cè)等領(lǐng)域具有重要的研發(fā)價(jià)值[2-3].

已經(jīng)開展了SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)及其器件的理論和實(shí)驗(yàn)研究.因?yàn)?H-SiC與六方相GaN的晶格失配最小，在6H-SiC的面上生長(zhǎng)GaN之前，戴憲起等[4]利用超原胞模型第一性原理贗勢(shì)方法計(jì)算發(fā)現(xiàn)，界面能最低時(shí)的可能異質(zhì)結(jié)構(gòu)為6H-SiC/P-6H-GaN/2H-GaN.由于SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面存在自發(fā)、壓電極化，Scha等[5]采用介穩(wěn)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的平衡理論研究了自發(fā)、壓電極化效應(yīng)對(duì)異質(zhì)結(jié)構(gòu)性能的影響，發(fā)現(xiàn)6H-SiC與應(yīng)變六方相GaN形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面出現(xiàn)二維空穴氣（2DHG），6H-SiC與松弛GaN構(gòu)筑的異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面產(chǎn)生二維電子氣，面密度達(dá)到1013cm-2量級(jí).在理論研究的基礎(chǔ)上，Topf等[6]利用低壓化學(xué)氣相沉積技術(shù)研制了(p)6H-SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電致發(fā)光譜、熱導(dǎo)納譜、電流-電壓（I-V）關(guān)系及電容-電壓（C-V）關(guān)系的特征，發(fā)現(xiàn)電致發(fā)光譜、低正向電流來自于異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面兩側(cè)的載流子通過界面缺陷態(tài)隧穿而復(fù)合.王曉亮等[7]使用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積方法研制的 1 mm柵寬6H-SiC/AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)高電子遷移率晶體管，漏源電壓Vds=34.3 V，輸出功率39.13 dBm，功率增益6.7 dB，連續(xù)工作半小時(shí)只下降了0.3%.本課題組模擬了不同SiC晶型(n)SiC/(p)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的正向恢復(fù)行為[8].

(p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)作為(n)SiC/(p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)雙極晶體管（HBT）的發(fā)射結(jié)，其價(jià)帶帶階阻礙空穴從基極返回發(fā)射極[9]，提高了注入效率.但還未見6H-SiC/GaN、4H-SiC/GaN、3C-SiC/GaN三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)正向穩(wěn)態(tài)導(dǎo)電的對(duì)比研究.本文利用MATLAB數(shù)值模擬此三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的載流子分布、電容對(duì)電壓及溫度的依賴性，分析了異質(zhì)結(jié)構(gòu)I-V關(guān)系隨p區(qū)及n區(qū)的少子壽命、摻雜濃度、溫度變化的規(guī)律.

1 (p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)模型

圖1為(p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)在熱平衡態(tài)時(shí)的能帶示意圖.假定異質(zhì)結(jié)構(gòu)為突變型，不考慮界面缺陷態(tài)及隧穿效應(yīng)，內(nèi)部保持電中性，只涉及小注入情況.因?yàn)镾iC、GaN半導(dǎo)體的少子壽命都很短，應(yīng)考慮空間電荷區(qū)的載流子復(fù)合.p區(qū)SiC、n區(qū)GaN的完全電離雜質(zhì)濃度分別為Na、Nd，電子親和勢(shì)分別為χp、χn，異質(zhì)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)帶帶階、價(jià)帶帶階分別為ΔEC、ΔEV.為了方便計(jì)算，建立以p/n結(jié)界面為原點(diǎn)、垂直于結(jié)從p區(qū)指向n區(qū)的一維坐標(biāo)系（x軸），示于圖1底部，空間電荷區(qū)邊界在p區(qū)、n區(qū)的位置分別為x=-xp、x=xn.

圖1 (p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)在熱平衡態(tài)時(shí)的能帶示意圖Fig 1 Energy Band Diagram of (p)SiC/(n)GaN Heterostructure under Thermal Equilibrium.

在求解(p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)基于漂移-擴(kuò)散模型的泊松方程、電流密度方程、載流子連續(xù)性方程時(shí)，采用的邊界條件為：x=-xp及x=xn處，電場(chǎng)強(qiáng)度E=0，x=-∞處，n1(-∞)=n10，x=-xp處，n1(-xp)=n10exp(qV/kT)，其中q、k、T分別為基本電荷電量、玻爾茲曼常數(shù)、絕對(duì)溫度，n1(x)表示p區(qū)少子（電子）的濃度分布，n10為平衡時(shí)p區(qū)的少子濃度.當(dāng)異質(zhì)結(jié)構(gòu)加載正向偏壓V時(shí)，x＜-xp區(qū)域的少子（電子）濃度n(x)、x＞xn范圍的少子（空穴）濃度p(x)、載流子復(fù)合率U、p區(qū)一側(cè)空間電荷區(qū)內(nèi)的少子復(fù)合電流Jrb、n區(qū)一側(cè)空間電荷區(qū)內(nèi)的少子復(fù)合電流Jre、從n區(qū)注入p區(qū)的電子電流密度Jn、從p區(qū)注入n區(qū)的空穴電流密度Jp、通過異質(zhì)結(jié)構(gòu)的總正向電流密度J的表達(dá)式可參考文獻(xiàn)[10-11].

本文利用MATLAB軟件編程計(jì)算了(p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的載流子分布、J-V及C-V關(guān)系等，涉及的SiC、GaN參數(shù)來自文獻(xiàn)[1]、[3]和[12].

2 結(jié)果與分析

2.1 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的載流子分布

2.1.1 正向偏壓對(duì)載流子分布的影響

圖2（a）、（b）、（c）表示T=300K、p區(qū)摻雜濃度Na=5×1017cm-3、n區(qū)摻雜濃度Nd=1×1018cm-3，正向偏壓分別為V=0.5V、1.0V、1.5V時(shí)6H-SiC/GaN、4H-SiC/GaN、3C-SiC/GaN三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)電子、空穴濃度的分布.給異質(zhì)結(jié)構(gòu)加載正向偏壓V時(shí)，空穴從p區(qū)越過異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢(shì)壘向n區(qū)注入，電子由n區(qū)越過勢(shì)壘向p區(qū)注入.

由圖2可見，V一定時(shí)，三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的載流子（空穴、電子）分布穩(wěn)定.由n區(qū)注入到p區(qū)的電子濃度、由p區(qū)注入到n區(qū)的空穴濃度隨V升高而增加，越靠近界面越明顯.這是因?yàn)?，熱平衡時(shí)，異質(zhì)結(jié)構(gòu)空間電荷區(qū)內(nèi)的載流子濃度很小，電阻很大，而區(qū)外的載流子濃度很大，電阻很小.加載的V主要降落在勢(shì)壘區(qū)，削弱了勢(shì)壘區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)，縮小了勢(shì)壘區(qū)的寬度，加快了電子、空穴分別越過勢(shì)壘區(qū).異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢(shì)壘高度隨V升高而降低，電子、空穴更加容易越過勢(shì)壘，所以由n區(qū)到p區(qū)的電子濃度、由p區(qū)到n區(qū)的空穴濃度均隨V升高而增加.對(duì)比圖2（a）、（b）、（c）發(fā)現(xiàn)，V相同時(shí)3C-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中由n區(qū)到p區(qū)的電子濃度最大，這是由于3C-SiC的禁帶寬度最小，3C-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢(shì)壘最低，電子、空穴最容易越過此勢(shì)壘所致.而4H-SiC的禁帶寬度最大，4H-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢(shì)壘最高，電子、空穴最難越過此勢(shì)壘，使得n區(qū)到p區(qū)的電子濃度最低.

圖2 不同正向偏壓下三種(p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電子、空穴分布Fig 2 Distributions of Electrons and Holes in Three Kinds of (p)SiC/(n)GaN Heterostructures Biased by Different Forward Voltages

2.1.2 溫度對(duì)載流子分布的影響

圖3（a）、（b）、（c）表示正向偏壓V=1.5V、p區(qū)摻雜濃度Na=5×1017cm-3、n區(qū)摻雜濃度Nd=1×1018cm-3，溫度分別為T=250K、300K、350K時(shí)三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)電子、空穴濃度的分布.從圖3可見，三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)由n區(qū)注入到p區(qū)的電子濃度、由p區(qū)注入到n區(qū)的空穴濃度均隨T升高而增加.這是因?yàn)?，T升高會(huì)引起SiC、GaN禁帶寬度變窄，SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的勢(shì)壘高度降低，電子、空穴更加容易越過勢(shì)壘，導(dǎo)致濃度增加.另一方面，T升高促進(jìn)SiC、GaN半導(dǎo)體的本征激發(fā)及雜質(zhì)電離，引起異質(zhì)結(jié)構(gòu)p區(qū)、n區(qū)的載流子濃度隨溫度升高而增加.T相同時(shí)，3C-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中由n區(qū)到p區(qū)的電子濃度最大，4H-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中從n區(qū)到p區(qū)的電子濃度最小，原因如同2.1.1部分所述.

圖3 不同溫度下三種(p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電子、空穴分布Fig 3 Distributions of Electrons and Holes in Three Kinds of (p)SiC/(n)GaN Heterostructures under Different Temperatures

2.2 正向偏壓對(duì)載流子復(fù)合率的影響

圖4（a）、（b）、（c）表示T=300K、p區(qū)摻雜濃度Na=5×1017cm-3、n區(qū)摻雜濃度Nd=1×1018cm-3，正向偏壓分別為V=0.5V、1.0V、1.5V時(shí)三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)載流子復(fù)合率（U）分布隨正向偏壓V變化的情況.如圖4所示，p區(qū)的復(fù)合率大于n區(qū)的值，是因?yàn)閜區(qū)多子（空穴）壽命τp短而復(fù)合快引起U高，n區(qū)多子（電子）壽命τn長(zhǎng)而復(fù)合慢導(dǎo)致U低.其它條件不變時(shí)，三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)載流子的U均隨V升高而增加.這是因?yàn)楫愘|(zhì)結(jié)構(gòu)勢(shì)壘高度隨V升高而降低，電子、空穴更容易越過勢(shì)壘，因此由n區(qū)到p區(qū)的電子濃度、由p區(qū)到n區(qū)的空穴濃度均隨V增大而增加，從而提高載流子的U.V相同時(shí)，3C-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的U最大，4H-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的U最小，歸因于3C-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢(shì)壘最低，4H-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢(shì)壘最高，電子、空穴最容易越過前者而最難越過后者，所以前者的U最大而后者的U最小.

圖4 不同正向偏壓下三種(p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的載流子復(fù)合率Fig 4 Carrier Recombination Rates in Three Kinds of (p)SiC/(n)GaN Heterostructures Biased by Different Forward Voltages

2.3 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的C-V特性

2.3.1 三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)C-V特性的比較

圖5給出了T=300K、p區(qū)摻雜濃度Na=5×1017cm-3、n區(qū)摻雜濃度Nd=1×1018cm-3時(shí)三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的C-V關(guān)系.如圖5所示，異質(zhì)結(jié)構(gòu)的C-2值均隨V升高而減小，即C均隨V升高而變大.這可理解為，其它條件不變時(shí)，正向偏置的異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢(shì)壘區(qū)內(nèi)電場(chǎng)隨V升高而減弱，勢(shì)壘高度降低而且變窄.從圖2得到，異質(zhì)結(jié)構(gòu)中由n區(qū)注入到p區(qū)的電子濃度、由p區(qū)注入到n區(qū)的空穴濃度均隨著V升高而增加，所以C隨V升高而變大，C-2值減小.另外，從圖5可見，V相同時(shí)3C-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的C-2最小，該結(jié)電容最大，4H-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的C-2最大，此結(jié)電容最小.這是因?yàn)椋?C-SiC的帶隙最窄而4H-SiC的帶隙最寬，導(dǎo)致3C-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢(shì)壘最低而4H-SiC/GaN勢(shì)壘最高.V相同時(shí)，前者的載流子注入濃度最大而后者的最小，故而前者的電容最大而后者的最小.

圖5 三種(p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的C-V關(guān)系Fig 5 C-V Relations in Three Kinds of (p)SiC/(n)GaN Heterostructures

2.3.2 溫度對(duì)異質(zhì)結(jié)構(gòu)C-V特性的影響

圖6（a）、（b）、（c）給出了p區(qū)摻雜濃度Na=5×1017cm-3、n區(qū)摻雜濃度Nd=1×1018cm-3、溫度分別為T=200K、300K、400K時(shí)，三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電容隨溫度變化情況.如圖6所示，三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的C-2值均隨溫度升高而下降，即電容隨溫度升高而變大.這是因?yàn)?，其它參?shù)不變時(shí)，半導(dǎo)體帶隙隨著溫度升高而變窄，引起異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢(shì)壘高度隨著溫度升高而降低.從圖3可知，三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)從n區(qū)越過勢(shì)壘到p區(qū)的電子濃度、從p區(qū)越過勢(shì)壘到n區(qū)的空穴濃度均隨溫度升高而增加，即異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面兩側(cè)的電子、空穴濃度隨溫度升高而增加，因此，電容隨溫度升高而增大.

圖6 不同溫度下三種(p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的C-V關(guān)系Fig 6 C-V Relations in Three Kinds of (p)SiC/(n)GaN Heterostructures under Different Temperatures

2.4 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的正向J-V特性

圖7（a）、（b）、（c）給出了T=300K、p區(qū)摻雜濃度Na=5×1017cm-3、n區(qū)摻雜濃度Nd=1×1018cm-3時(shí)，三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的正向電流密度各成分Jn、Jp、Jrb、Jre隨正向偏壓V變化的情況.因?yàn)镹a＜Nd，導(dǎo)致異質(zhì)結(jié)構(gòu)空間電荷區(qū)在p區(qū)側(cè)的寬度大于n區(qū)側(cè)的寬度，p區(qū)的少子濃度大于n區(qū)的相應(yīng)值；另外，從圖4可知，p區(qū)的載流子復(fù)合率大于n區(qū)的相應(yīng)值，所以Jp＜＜Jn，Jre＜＜Jrb，如圖7所示.V較低時(shí)J的大小主要取決于Jrb；V較高（＞約2V）時(shí)，J主要取決于Jn.這是因?yàn)椋琕較低時(shí)空間電荷區(qū)寬，載流子復(fù)合占優(yōu)，可通過圖4反映出來；另一方面，異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢(shì)壘高，載流子通過勢(shì)壘注入的量很小，此時(shí)的J主要取決于p區(qū)的復(fù)合電流Jrb，與文獻(xiàn)[6]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合.隨著V升高，異質(zhì)結(jié)構(gòu)的空間電荷區(qū)變窄，勢(shì)壘降低，n區(qū)的載流子越過勢(shì)壘進(jìn)入p區(qū)的量很大，此時(shí)的J主要取決于從n區(qū)向p區(qū)擴(kuò)散的電子電流Jn，三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的情況都如此，分別如圖7（a）、（b）、（c）所示.

圖7 三種(p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的正向電流密度各成分隨電壓的變化Fig 7 Changes of Various Components of Forward Current Density with Biased Voltage in Three Kinds of(p)SiC/(n)GaN Heterostructures

圖8 三種(p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的J-V特征Fig 8 J-V Characteristics of Three Kinds of (p)SiC/(n)GaN Heterostructures

圖8描述了T=300K、p區(qū)摻雜濃度Na=5×1017cm-3、n區(qū)摻雜濃度Nd=1×1018cm-3時(shí)，三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的J-V關(guān)系，可見各個(gè)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的J隨V升高而增大.可理解為，異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢(shì)壘高度隨著V升高而降低，載流子越過勢(shì)壘的數(shù)量增大導(dǎo)致J增大.V相同時(shí)，3C-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的J最大，4H-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的J值最小.這是因?yàn)?C-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢(shì)壘最低，4H-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的勢(shì)壘最高，載流子最容易越過前者而最難越過后者所致.

2.4.1 異質(zhì)結(jié)構(gòu)n區(qū)、p區(qū)少子壽命對(duì)正向J-V特性的影響

圖9（a）、（b）、（c）分別給出了T=300K、p區(qū)摻雜濃度Na=5×1017cm-3、n區(qū)摻雜濃度Nd=1×1018cm-3、n區(qū)直接帶隙半導(dǎo)體GaN的少子（空穴）壽命τp=1ns、6.5ns、13.0ns時(shí)，三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)正向電流密度各成份與正向偏壓V的關(guān)系.從圖9可見，三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)n區(qū)少子壽命τp的變化主要影響從p區(qū)注入到n區(qū)的空穴電流密度Jp、空間電荷區(qū)n區(qū)側(cè)的復(fù)合電流密度Jre，且前者效果顯著，而Jn、Jrb幾乎不受干擾.從圖2圖3可知，T、V一定時(shí)，異質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)電子、空穴分布穩(wěn)定.τp減小意味著相同時(shí)間內(nèi)空穴從p區(qū)越過勢(shì)壘注入到n區(qū)的數(shù)量需要相應(yīng)增加，才能維持分布穩(wěn)定，即Jp隨τp減小而增大.因?yàn)檫@三種半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)屬于少子導(dǎo)電系統(tǒng)，從p區(qū)注入到n區(qū)的空穴導(dǎo)致n區(qū)少子總量急劇增加，所以τp對(duì)Jp影響更甚.

圖9 三種(p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中n區(qū)少子壽命不同時(shí)正向電流密度各成分與電壓的關(guān)系Fig 9 Relations between Various Components of Forward Current Density and Biased Voltage with Different Minority Lifetimes in n-type Region in Three Kinds of (p)SiC/(n)GaN Heterostructures

圖10 三種(p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中p區(qū)少子壽命不同時(shí)的正向J-V關(guān)系Fig 10 Forward J-V Relations in Three Kinds of (p)SiC/(n)GaN Heterostructures with Different Minority Lifetimes in p-type Region in Three Kinds of (p)SiC/(n)GaN Heterostructures

圖10（a）、（b）、（c）給出了T=300 K、p區(qū)摻雜濃度Na=5×1017cm-3、n區(qū)摻雜濃度Nd=1×1018cm-3，p區(qū)間接帶隙半導(dǎo)體SiC的少子（電子）壽命分別為τn=20 ns、40 ns、60 ns時(shí)，三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的J-V關(guān)系.從圖2、圖3可知，T、V一定時(shí)，異質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)電子、空穴的分布穩(wěn)定.p區(qū)少子（電子）壽命τn縮短，在此區(qū)域內(nèi)電子-空穴復(fù)合引起復(fù)合電流增大.同時(shí)要求從n區(qū)注入到p區(qū)的電子數(shù)量必須相應(yīng)增加，才能維持穩(wěn)定的分布，注入電子數(shù)目增加則擴(kuò)散電流增大.計(jì)算得到，J隨著p區(qū)少子壽命τn縮短反而增加，如圖10所示.V相同時(shí)，3C-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的J最大，4H-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的J值最小，歸因于前者的勢(shì)壘最低，載流子最容易越過，因而J值大；后者的勢(shì)壘最高，載流子最難越過，因而J值小.

2.4.2 異質(zhì)結(jié)構(gòu)n區(qū)、p區(qū)摻雜濃度對(duì)正向J-V特性的影響

圖11給出了T=300K、p區(qū)摻雜濃度Na=5×1017cm-3、n區(qū)摻雜濃度分別為Nd=6×1017cm-3、8×1017cm-3、1×1018cm-3時(shí)，三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的J-V關(guān)系.從圖11可見，J隨Nd的增加而增大，V較低時(shí)增加得更明顯，歸因于Na＜Nd，異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢(shì)壘區(qū)主要位于p區(qū)側(cè)，n區(qū)多子（電子）隨著Nd增加而增多，勢(shì)壘區(qū)變薄，而少子（空穴）減少，少子效應(yīng)減弱，電子從n區(qū)越過異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢(shì)壘與p區(qū)多子（空穴）復(fù)合的幾率增大，復(fù)合電流密度增大，所以J增大.此外，電子從n區(qū)越過勢(shì)壘向p區(qū)注入的數(shù)量隨Nd增大而增多，Jn和J增大.V相同時(shí)，3C-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的J最大，4H-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的J值最小，原因如同2.4.1部分所述.

圖11 三種(p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中n區(qū)摻雜不同時(shí)的正向J-V關(guān)系Fig 11 Forward J-V Relations in Three Kinds of (p)SiC/(n)GaN Heterostructures with Different n-type Doping

圖12給出了T=300 K、n區(qū)摻雜濃度Nd=1×1018cm-3、p區(qū)摻雜濃度分別為Na=5×1017cm-3、7×1017cm-3、9×1017cm-3時(shí)，三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的J-V關(guān)系.從圖12可見，V相同時(shí)J隨著Na減小而增大.因?yàn)镹a＜Nd，異質(zhì)結(jié)構(gòu)空間電荷區(qū)主要位于p區(qū)，p區(qū)少子（電子）多于n區(qū)少子（空穴）.p區(qū)少子隨Na減小而增多，少子效應(yīng)加強(qiáng)，p區(qū)側(cè)的空間電荷區(qū)更寬，越過異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢(shì)壘的少子在空間電荷區(qū)內(nèi)的復(fù)合幾率增加，復(fù)合電流Jrb增大.計(jì)算可知，Na的變化幾乎不影響Jn.從圖9可知，V相同時(shí)其它電流成份與Jn、Jrb相比可忽略，所以異質(zhì)結(jié)構(gòu)J隨著Na的減小而增大.對(duì)比圖12（a）、（b）、（c），V、Na相同時(shí)，3C-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的J值最大，因?yàn)樗膭?shì)壘最低，載流子最容易越過勢(shì)壘；反之，4H-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的J值最小，因?yàn)槠鋭?shì)壘最高，載流子最難越過勢(shì)壘.

2.4.3 溫度對(duì)異質(zhì)結(jié)構(gòu)正向J-V特性的影響

圖13給出了p區(qū)摻雜濃度Na=5×1017cm-3、n區(qū)摻雜濃度Nd=1×1018cm-3、溫度分別為T=250 K、300 K、350 K時(shí)，三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的J-V關(guān)系.由圖3可見，異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電子、空穴濃度隨著T升高而增加，導(dǎo)致復(fù)合電流增大.另一方面，異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢(shì)壘高度隨著T升高反而降低，從n區(qū)越過異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢(shì)壘注入到p區(qū)的電子以及從p區(qū)越過異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢(shì)壘注入到n區(qū)的空穴更多，Jn、Jp增大.所以，V相同時(shí)J隨T的升高而增大，如圖13所示.同樣V、T之下，3C-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的勢(shì)壘最低，載流子最容易越過，它的J值最大；4H-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的勢(shì)壘最高，載流子最難越過，它的J值最小.

圖12 三種(p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中p區(qū)摻雜不同時(shí)的正向J-V關(guān)系Fig 12 Forward J-V Relations in Three Kinds of (p)SiC/(n)GaN Heterostructures with Different p-type Doping

圖13 溫度不同時(shí)三種(p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的正向J-V關(guān)系Fig 13 Forward J-V Relations in Three Kinds of (p)SiC/(n)GaN Heterostructures at Different Temperatures

對(duì)照已經(jīng)研制的不同(p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)[13-15]，本文仿真器件選用的材料摻雜濃度等參數(shù)與實(shí)驗(yàn)中的對(duì)應(yīng)參數(shù)吻合.而且，模擬(p)4H-SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)300 K時(shí)的C-V（圖5）和J-V（圖8）數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[13]采用氫化物氣相外延（HVPE）技術(shù)制備同種結(jié)構(gòu)的同類數(shù)據(jù)的測(cè)量結(jié)果一致；仿真(p)6H-SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)300 K時(shí)的C-V（圖6（a））和J-V（圖13（a））數(shù)據(jù)，與利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）方法[14]和HVPE技術(shù)[15]研制同種結(jié)構(gòu)的同類數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分接近.實(shí)驗(yàn)上難以象本文這樣獨(dú)立設(shè)置那么多的參數(shù)制備器件并加以測(cè)量，因而無法逐一對(duì)比，但已不影響本文結(jié)果的可靠性.因此，所得結(jié)果可為設(shè)計(jì)(n)SiC/(p)SiC/(n)GaN型HBT等器件提供理論指導(dǎo).

3 結(jié) 論

利用MATLAB軟件數(shù)值模擬正向偏置(p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)電的結(jié)果表明：溫度及電壓一定時(shí)，異質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)電子、空穴分布穩(wěn)定，異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電容隨溫度、電壓的增加而變大.電壓較低時(shí)，正向電流密度主要取決于空間電荷區(qū)的復(fù)合電流；電壓＞約2 V時(shí)，主要由n區(qū)注入到p區(qū)的電子擴(kuò)散電流決定.隨著溫度升高、n區(qū)摻雜濃度增加、p區(qū)及n區(qū)少子壽命縮短、p區(qū)摻雜濃度減小，正向電流密度均增大.可調(diào)節(jié)參數(shù)優(yōu)化(p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的正向穩(wěn)態(tài)導(dǎo)電特性，并指導(dǎo)(n)SiC/(p)SiC/(n)GaN型HBT等器件設(shè)計(jì).