碳化矽肖特基二極體

肖特基二極體是通過金屬與N型半導體之間形成的接觸勢壘具有整流特性而製成的一種屬-半導體器件。肖特基二極體的基本結構是重摻雜的N型4H-SiC片、4H-SiC外延層、肖基觸層和歐姆接觸層。

基本介紹

• 中文名：碳化矽肖特基二極體
• 外文名：Schottky barrier diode

1碳化矽

碳化矽材料的發展和優勢

碳化矽早在 1842 年就被發現了，但因其製備時的工藝難度大，並且器件的成品率低，導致了價格較高，這影響了它的套用。直到 1955 年，生長高品質碳化矽的方法出現促進了 SiC 材料的發展，在航天、航空、雷達和核能開發的領域得到套用。1987 年，商業化生產的 SiC 進入市場，並套用於石油地熱的勘探、變頻空調的開發、平板電視的套用以及太陽能變換的領域。

碳化矽材料有很多優點，如禁頻寬度很大、臨界擊穿場強很高、熱導率很大、飽和電子漂移速度很高和介電常數很低如表 1-1。首先大的禁頻寬度，如 4H-SiC其禁頻寬度為 3.26 eV，是矽材料禁頻寬度的三倍多，這使得器件能耐高溫並且能發射藍光；高的臨界擊穿場強，碳化矽的臨界擊穿場強 (2-4 MV/cm)很高，4H-SiC的臨界擊穿場強為 2.2 MV/cm，這要高出 Si 和 GaAs 一個數量級，所以碳化矽器件能夠承受高的電壓和大的功率；大的熱導率，熱導率是 Si 的 3.3 倍和 GaAs 的10 倍，熱導率大，器件的導熱性能就好，積體電路的集成度就可以提高，但散熱系統卻減少了，進而整機的體積也大大減小了；高的飽和電子漂移速度和低的介電常數能夠允許器件工作在高頻、高速下。但是值得注意的是碳化矽具有閃鋅礦和纖鋅礦結構，結構中每個原子都被四個異種原子包圍，雖然 Si-C 原子結合為共價鍵，但矽原子 1.8 的負電性小於負電性為 2.6 的 C 原子，根據 Pauling 公式，離子鍵合作用貢獻約占 12%，從而對載流子遷移率有一定的影響，據目前已發表的數據，各種碳化矽同素異形體中，輕摻雜的 3C-SiC 的載流子遷移率最高，與之相關的研究工作也較多，在較高純的 3C-SiC 中，其電子遷移率可能會超過 1000 cm/（V.s），最高的跟矽也有一定的差距。

與 Si 和 GaAs 相比，除個別參數外（遷移率），SiC 材料的電熱學品質全面優於 Si 和 GaAs 等材料，僅次於金剛石。因此碳化矽器件在高頻、大功率、耐高溫、抗輻射等方面具有巨大的套用潛力，它可以在電力電子技術領域打破矽的極限，成為下一代電力電子器件。

碳化矽功率器件的發展現狀

碳化矽器件的出現大大的改善了半導體器件的性能，滿足國民經濟和國防建設的需要，目前，美國、德國、瑞典、日本等已開發國家正競相投入巨資對碳化矽材料和器件進行研究。美國國防部從 20 世紀 90 年代就開始支持碳化矽功率器件的研究，在 1992 年就成功研究出了阻斷電壓為 400 V 的肖特基二極體。碳化矽肖特基勢壘二極體於 21 世紀初成為首例市場化的碳化矽電力電子器件。美國Semisouth 公司研製的 SiC SBD（100 A、600 V、300 ℃下工作）已經用在美國空軍多電飛機。由碳化矽 SBD 構成的功率模組可在高溫、高壓、強輻射等惡劣條件下使用。目前反向阻斷電壓高達 1200 V 的系列產品，其額定電流可達到 20 A。碳化矽 SBD 的研發已經達到高壓器件的水平，其阻斷電壓超過 10000 V，大電流器件通態電流達 130 A的水平。

SiC PiN 的擊穿電壓很高，開關速度很快，重量很輕，並且體積很小，它在 3KV以上的整流器套用領域更加具有優勢。2000年Cree公司研製出19.5 KV的台面PiN二極體，同一時期日本的 Sugawara 研究室也研究出了 12 KV 的台面 PiN 二極體。2005 年 Cree 公司報導了 10 KV、3.75 V、50 A 的 SiC PiN 二極體，其 10 KV/20 A PiN二極體系列的合格率已經達到 40%。

SiC MOSFET 的比導通電阻很低，工作頻率很高，在高溫下能夠穩定的工作，它在功率器件領域很有套用前景。目前國際上報導的幾種結構：UMOS、VDMOS、LDMOS、UMOS ACCUFET，以及 SIAFET 等。2008 年報導的雙 RESURF 結構LDMOS，具有 1550 V 阻斷電壓.

2碳化矽肖特基二極體

SBD 在導通過程中沒有額外載流子的注入和儲存，因而反向恢復電流小，關斷過程很快，開關損耗小。傳統的矽肖特基二極體，由於所有金屬與矽的功函式差都不很大，矽的肖特基勢壘較低，矽 SBD 的反向漏電流偏大，阻斷電壓較低，只能用於一二百伏的低電壓場合且不適合在 150 ℃以上工作。然而，碳化矽 SBD彌補了矽 SBD 的不足，許多金屬，例如鎳、金、鈀、鈦、鈷等，都可以與碳化矽形成肖特基勢壘高度 1 eV 以上的肖特基接觸。據報導，Au/4H-SiC 接觸的勢壘高度可達到 1.73 eV，Ti/4H-SiC 接觸的勢壘比較低，但最高也可以達到 1.1 eV。6H-SiC與各種金屬接觸之間的肖特基勢壘高度變化比較寬，最低只有 0.5 eV，最高可達1.7 eV。於是，SBD 成為人們開發碳化矽電力電子器件首先關注的對象。它是高壓快速與低功率損耗、耐高溫相結合的理想器件。目前國際上相繼研製成功水平較高的多種類的碳化矽器件。

SiC 肖特基勢壘二極體在 1985 年問世，是 Yoshida 製作在 3C-SiC 上的，它的肖特基勢壘高度用電容測量是 1.15 (±0.15) eV，用光回響測量是 1.11 (±0.03) eV，它的擊穿電壓只有8 V，第一隻6H-SiC肖特基二極體的擊穿電壓大約有200 V，它是由 Glover. G. H 報導出來的。Bhatnagar 報導了第一個高壓 400 V 6H-SiC 肖特基勢壘二極體 ，這個二極體有低通態壓降（1 V），沒有反向恢復電流。隨著碳化矽單晶、外延質量及碳化矽工藝水平不斷地不斷提高，越來越多性能優越的碳化矽肖特基二極體被報導。1993 年報導了第一隻擊穿電壓超過 1000V的碳化矽肖特基二極體，該器件的肖特基接觸金屬是 Pd，它採用 N 型外延的摻雜濃度1×10cm，厚度是 10μm。高質量的4H-SiC單晶的在 1995 年左右出現，它比

6H-SiC的電子遷移率要高，臨界擊穿電場要大很多，這使得人們更傾向於研究4H-SiC的肖特基二極體。Ni/4H-SiC 肖特基二極體是在 1995年第一次被報導的，它採用的外延摻雜濃度為 1×1016 cm，厚度 10 μm，擊穿電壓達到 1000 V，在 100A/cm 時正向壓降很低為 1.06 V，室溫下比導通電阻很低，為 2×10 Ω·cm。2005 年 Tomonori Nakamura 等人用 Mo 做肖特基接觸，擊穿電壓為 4.15 KV，比接觸電阻為 9.07 mΩ·cm，並且隨著退火溫度的升高，該肖特基二極體的勢壘高度也升高，在 600 ℃的退火溫度下，其勢壘高度為 1.21 eV，而理想因子很穩定，隨著退火溫度的升高理想因子沒有多少變化。 J. H. Zhao 採用 N 型碳化矽外延，用多級結終端擴展技術製作出擊穿電壓高達10.8 KV Ni/4H-SiC 肖特基二極體，外延的摻雜濃度為 5.6×10cm，厚度為115μm，此肖特基二極體利用多級結終端擴展技術來保護肖特基結邊緣以防止它提前擊穿。

國內的 SiC 功率器件研究方面因為受到 SiC 單晶材料和外延設備的限制起步比較晚，但是卻緊緊跟蹤國外碳化矽器件的發展形勢。國家十分重視碳化矽材料及其器件的研究， 在國家的大力支持下經已經初步形成了研究 SiC 晶體生長、SiC器件設計和製造的隊伍。電子科技大學致力於器件結構設計方面，在新結構、器件結終端和器件擊穿機理方面做了很多的工作，並且提出寬禁帶半導體器件優值理論和寬禁帶半導體功率雙極型電晶體特性理論。

34H-SiC 結勢壘肖特基二極體

功率二極體是功率半導體器件的重要組成部分，主要包括 PiN 二極體，肖特基勢壘二極體和結勢壘控制肖特基二極體。本章主要介紹了肖特基勢壘的形成及其主要電流輸運機理。並詳細介紹了肖特基二極體和結勢壘控制肖特基二極體的電學特性及其工作原理，為後兩章對 4H-SiC JBS 器件電學特性的仿真研究奠定了理論基礎。

肖特基二極體

肖特基二極體是通過金屬與N型半導體之間形成的接觸勢壘具有整流特性而製成的一種屬-半導體器件。肖特基二極體的基本結構是重摻雜的N型4H-SiC片、4H-SiC外延層、肖基觸層和歐姆接觸層。由於電子遷移率比空穴高，採用N型Si 、SiC 或GaAs為材料，以獲得良好的頻率特性，肖特基接觸金屬一般選用金、鉬、鎳、鋁等。金屬-半導體器件和PiN結二極體類似，由於兩者費米能級不同，金屬與半導體材料交界處要形成空間電荷區和自建電場。在外加電壓為零時，載流子的擴散運動與反向的漂移運動達到動態平衡，這時金屬與N型4H-SiC半導體交界處形成一個接觸勢壘，這就是肖特基勢壘。肖特基二極體就是依據此原理製作而成。

肖特基接觸

金屬與半導體的功函式不同，電荷越過金屬/半導體界面遷移，產生界面電場，半導體表面的能帶發生彎曲，從而形成肖特基勢壘，這就是肖特基接觸。金屬與半導體接觸形成的整流特性有兩種形式，一種是金屬與 N 型半導體接觸，且 N 型半導體的功函式小於金屬的功函式；另一種是金屬與 P 型半導體接觸，且 P 型半導體的功函式大於金屬的功函式。

金屬與 N 型 4H-SiC 半導體體內含有大量的導電載流子。金屬與 4H-SiC 半導體材料的接觸僅有原子大小的數量級間距時，4H-SiC 半導體的費米能級大於金屬的費米能級。此時 N 型 4H-SiC 半導體內部的電子濃度大於金屬內部的電子濃度，兩者接觸後，導電載流子會從 N 型 4H-SiC 半導體遷移到金屬內部，從而使 4H-SiC 帶正電荷，而金屬帶負電荷。電子從 4H-SiC 向金屬遷移，在金屬與 4H-SiC 半導體的界面處形成空間電荷區和自建電場，並且耗盡區只落在 N 型 4H-SiC 半導體一側，在此範圍內的電阻較大，一般稱作“阻擋層”。自建電場方向由 N 型 4H-SiC 內部指向金屬，因為熱電子發射引起的自建場增大，導致載流子的擴散運動與反向的漂移運動達到一個靜態平衡，在金屬與4H-SiC 交界面處形成一個表面勢壘，稱作肖特基勢壘。4H-SiC 肖特基二極體就是依據這種原理製成的。

肖特基勢壘中載流子的輸運機理

金屬與半導體接觸時，載流子流經肖特基勢壘形成的電流主要有四種輸運途徑。這四種輸運方式為：

1、N 型 4H-SiC 半導體導帶中的載流子電子越過勢壘頂部熱發射到金屬；

2、N 型 4H-SiC 半導體導帶中的載流子電子以量子力學隧穿效應進入金屬；

3、空間電荷區中空穴和電子的複合；

4、4H-SiC 半導體與金屬由於空穴注入效應導致的的中性區複合。

載流子輸運主要由前兩種情況決定，第 1 種輸運方式是 4H-SiC 半導體導帶中的載流子越過勢壘頂部熱發射到金屬進行電流輸運，也就是整流接觸。第 2 種輸運方式又分成兩個狀況，隨著 4H-SiC 半導體摻雜濃度的增加，耗盡層逐漸變薄，肖特基勢壘也逐漸降低，4H-SiC 半導體導帶中的載流子由隧穿效應進入到金屬的幾率變大。一種是4H-SiC 半導體的摻雜濃度非常大時，肖特基勢壘變得很低，N 型 4H-SiC 半導體的載流子能量和半導體費米能級相近時的載流子以隧道越過勢壘區，稱為場發射。另一種是載流子在 4H-SiC 半導體導帶的底部隧道穿過勢壘區較難，而且也不用穿過勢壘，載流子獲得較大的能量時，載流子碰見一個相對較薄且能量較小的勢壘時，載流子的隧道越過勢壘的幾率快速增加，這稱為熱電子場發射。

反向截止特性

肖特基二極體的反向阻斷特性較差，是受肖特基勢壘變低的影響。為了獲得高擊穿電壓，漂移區的摻雜濃度很低，因此勢壘形成並不求助於減小 PN 結之間的間距。調整肖特基間距獲得與 PiN 擊穿電壓接近的 JBS，但是 JBS 的高溫漏電流大於 PiN，這是來源於肖特基區。JBS 反向偏置時，PN 結形成的耗盡區將會向溝道區擴散和交疊，從而在溝道區形成一個勢壘，使耗盡層隨著反向偏壓的增加向襯底擴展。這個耗盡層將肖特基界面禁止於高場之外，避免了肖特基勢壘降低效應，使反向漏電流密度大幅度減小。此時 JBS 類似於 PiN 管。反向漏電流的組成主要由兩部分：一是來自肖特基勢壘的注入；二是耗盡層產生電流和擴散電流。

二次擊穿

產生二次擊穿的原因主要是半導體材料的晶格缺陷和管內結面不均勻等引起的。二次擊穿的產生過程是：半導體結面上一些薄弱點電流密度的增加，導致這些薄弱點上的溫度增加引起這些薄弱點上的電流密度越來越大，溫度也越來越高，如此惡性循環引起過熱點半導體材料的晶體熔化。此時在兩電極之間形成較低阻的電流通道，電流密度驟增，導致肖特基二極體還未達到擊穿電壓值就已經損壞。因此二次擊穿是不可逆的，是破壞性的。流經二極體的平均電流並未達到二次擊穿的擊穿電壓值，但是功率二極體還是會產生二次擊穿。