（微电子学与固体电子学专业论文）4hsic隧道双极晶体管的模拟研究.pdf

摘要 摘要 碳化硅( s i c ) 以其宽禁带、高临界场强、高热导率、高i 临界位移能、高载流子 饱和漂移速率特性等优异的物理和电学性能成为继s i 、g e 、g a a s 之后的新一代微 电子器件和电路的半导体材料，而以s i c 为材料制作的双极器件也逐渐得到重视。 基于4 h s i c 材料的优越特性和n p n 双极晶体管的基本结构，本文提出了一种新型 隧道双极晶体管( t e b t ) ，将n p n 双极晶体管中的发射结用m i s 结构代替，并对其 基本特性进行模拟和分析： 首先对发射结金属氧化层半导体结构的载流子运输机理进行了分析。在软件 中建立相应模型，进行正向及反向特性的模拟研究，为研究隧道双极晶体管 ( t e b t ) 奠定了基础。 其次，在i s et c a d 软件中建立合适的器件结构和物理模型，通过对隧道双极 晶体管进行直流特性的模拟，发现器件具有良好的直流特性，共发射极电流增益 可达至f j 4 5 。在此基础上，还研究了影响器件直流增益的一些因素：基区厚度和基 区掺杂均是影响直流增益的重要因素，随着基区厚度、基区掺杂的增大，直流增 益随之下降，但对于实际器件，在减小基区厚度和掺杂的同时还会带来器件击穿 电压降低，基区电阻增大等负面效应，所以在优化整个器件结构参数时，要根据 所需折中考虑；最后介绍了器件电流增益随时间的退化现象，用简单的理论解释 了堆垛缺陷对电流输运的影响。 利用二端口网络分析和s 参数模型，本文还对t e b t 交流小信号特性进行了模 拟，提取了器件交流特性参数。发现该结构的器件其特征频率五和最高振荡频率 厂m 。相比普通器件均有很大提高。 通过模拟发现该结构器件优越的交流特性。在建立器件模型、基本特性仿真 等方面的工作对4 h s i ct e b t 的研究提供了一定理论依据，为进一步的实验奠定了 基础。 关键词：s i c 隧穿结隧道双极晶体管电流增益交流小信号 a b s t r a c t 3 一 a b s t r a c t s i l i c o n c a r b i d e ( s i c ) i s an e w g e n e r a t i o n s e m i c o n d u c t o rm a t e r i a lf o r m i c r o e l e c t r o n i cd e v i c e sa n dc i r c u i t sa f t e rs i l i c o n ，g e r m a n i u m , a n dg a l l i u ma r s e n i d e b e c a u s ei th a se x c e l l e n tp r o p e r t i e s ，s u c ha sw i d eb a n d , h i g l lc r i t i c a lb r e a k d o w nf i e l d , h i g ht h e r m a lc o n d u c t i v i t y , h i g hu l t i m a t ed i s p l a c e m e n te n e r g y h i 曲e l e c t r o ns a t u r a t i o n d r i f tv e l o c i t ya n ds oo n a n dt h es i cb i p o l a rd e v i c e sh a v er e c e i v e di n c r e a s i n ga t t e n t i o n b a s e do nt h es u p e r i o rp r o p e r t i e sa n dt h eb a s i cs t r u c t u r eo fn p nb i p o l a rj u n c t i o n t r a n s i s t o r s ( b j t ) ，an o v e ls t r u c t u r eo ft u n n e l i n ge m i t t e rb i p o l a rj u n c t i o nt r a n s i s t o r ( i e m ) i sp 哪圈。d ，i nw h i c he m i t t e ri sa m m m t e do fm e t a l - i n s u l a t i o n s e m i c o n d u c t o r ( m i s ) s t r u c t u r e ，a n di t sc h a r a c t e r i s t i c sa r es i m u l a t e da n da n a l y z e di nt h i st h e s i s t h ec u r r e n t t r a n s p o r tt h e o r yo ft h e e m i t t e rm e t a l - i n s u l a t i o n s e m i c o n d u c t o r s t r u c t u r ei sa n a l y z e df i r s t l y , a n dt h ef o r w a r da n db a c k w a r di - vc h a r a c t e r i s t i c sa l e s i m u l a t e dw i t ht h es o f t w a r ei s et c a d ，w h i c hl a yt h ef o u n d a t i o nf o rt h er e s e a r c ho f t e b t s e c o n d l y , t h en u m e r i c a lm o d e lo ft h et e b ti sb u i l ta n ds i m u l a t e d 、椭t 1 1i s et c a d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt e b th a sg o o dd cc h a r a c t e r i s t i c s ，a n di t se m i t t e rd c g a i ni s4 5 b a s e do nt h e s es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ei n f l u e n c e so fs t r u c t u r ep a r a m e t e r sa r e d i s c u s s e d t h i c k n e s sa n dd o p i n gc o n c e n t r a t i o no ft h eb a s ea r ek e yf a c t o r st oa f f e c tt h e c u r r e n tg a i n i ti sn o t e dt h a tt h ed cg a i nd e c r e a s e sw i t l lt h ei n c r e m e n to ft h i c k n e s sa n d d o p i n gc o n c e n t r a t i o no ft h eb a s e h o w e v e r r e d u c i n gt h et h i c k n e s sa n dd o p i n g c o n c e n t r a t i o no ft h eb a s ew i l la l s ob r i n gs o m en e g a t i v ee f f e c t s ，s u c ha sr e d u c t i o no ft h e b r e a k d o w nv o l t a g ea n di n c r e m e n to ft h eb a s er e s i s t a n c e t h e r e f o r e ，i ti si m p o r t a n tt o m a k et r a d e o f ft oa c h i e v et h eo p t i m i z a t i o no ft h ed e v i c ei nt e r m so ft h es p e c i f i c a t i o n so f d e v i c e f i n a l l y , t h ed e g r a d a t i o no ft h ep e r f o r m a n c ew i t hi n c r e a s e dt i m e i sa l s o i n t r o d u c e d ，a n das i m p l et h e o r yc a nb eu s e dt oe x p l a i nt h ee f f e c to fs t a c k i n gd e f e c t so n t h eg a i n t h ea cs m a l ls i g n a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h et e b ta r ea n a l y z e db yu s i n gt w o - p o r t a n a l y z e ra n dsp a r a m e t e r s t h et r a n s i tf r e q u e n c yf fa n dm a x i m u mo s c i l l a t i o nf r e q u e n c y 丘a r ea l s oe x t r a c t e d t h ec h a r a c t e r i s t i cf r e q u e n c y ( 疗) i s2 6g h z ，t h em a x i m u m o s c i l l a t i n gf r e q u e n c y ( 扁戤) i s6 7 ，0g h z i nt h i st h e s i s ，t h es i m u l a t i o ns h o w st h a tt h ed e v i c eh a ss u p e r i o ra cc h a r a c t e r i s t i c s s i m u l a t i o ns t u d yo ft h e4 h - s i ct e b tc h a r a c t e r i s t i c sp r o v i d e st h et h e o r e t i c a lb a s ef o r f u r t h e rs t u d y k e y w o r d s ：4 h s i ct u n n e l i n gj u n c t i o n t e b tc u r r e n tg a i na c s m a l l - s i g a l 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：到荔 日期：丝翌：；：! 兰 关于使用授权的声明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在 解密后遵守此规定) 本人签名： 司盔 日期： 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论弟一早三百化 1 1 碳化硅材料的基本特性及应用 随着半导体材料技术的发展，半导体得到越来越多领域的重视与利用。新型半 导体材料和器件的研究与突破，常常推动新的技术革命和新兴产业的发展。而以 碳化硅( s i c ) 和氮化镓( g a n ) 为代表的宽禁带半导体材料，是继以硅和砷化镓为代表 的第一代、第二代半导体材料之后迅速发展起来的新型半导体材料。s i c 作为2 l 世 纪极端电子学半导体的首选材料、第三代半导体主导材料之一，随着材料、器件 物理研究的不断深化和制作技术的不断突破、完善和成熟，s i c 应用技术必将会更 快速的发展，使之成为2 l 世纪最引人注目的一种实用的功率器件材料。 表1 1 碳化硅材料的应用领域 特性器件应用 高温电子器件和集成电路各种高温环境 短波长发光器件( 蓝、绿光) 全彩色显示 蓝光激光二极管高密度数据存储 紫外光敏二极管发动机监测、控制 抗辐射器件核战场、核电、宇航 宽带隙 异质结器件各种电子系统 高性能功率器件电子控制系统、节能系统 高压器件电力电子系统 高击穿电场 高密度i c 封装各种电子系统 高电子漂移速微波器件相控阵雷达、通讯、广播 度 高速器件军用系统、数据处理 高集成度i c 各种电子系统 高热导率 良好热耗散的大功率器件卫星、航空系统 如表1 1 所示【l 】从几种材料特性的比较可以看出，s i c 材料的宽禁带( 是s i 和 g a a s 的2 - 3 倍) 使得器件能在相当高的温度下( 5 0 0 c 以上) 工作；高饱和电子漂 移速度和低介电常数决定了器件的高频、高速工作性能；高击穿电场( 比s i 和g a a s 2 4 h s i c 隧道双极品体管的模拟研究 均要高一个数量级) 决定了器件的高压、大功率性能；高热导率( 分别是s i 的3 3 倍和g a a s 的1 0 倍) 意味着其导热性能好，可以大大提高电路的集成度1 2 j ，减少冷 却散热系统，从而大大减少整机的体积。此外s i c 具有很高的临界移位能( n 鹏s h o l d d i s p l a c e m e n te n e r g y ，4 5 - 9 0 e v ) ，这使它具有高的抗辐射破坏的能力和高的抗电磁 波( e l e c t r o m a g n e t i cp u l s e ，简称e m p ) 冲击能力。在工艺上，和g a n 等其它材料相 比，如材料生长、金属接触、离子注入等工艺，具有更好的优越性。同时，s i c 是 所有宽禁带材料中，唯一一种可以通过直接氧化获得s i 0 2 的材料。此外，采用s i c 器件的功率系统可极大程度地降低对散热的要求，又可进一步缩小体积。 表1 2 室温下碳化硅、硅和砷化镓等材料特性的比较 s i c g a ns ig a a s 4 h s i c6 h s i c3 c s i c 禁带宽度 3 2 63 o2 23 3 91 1 21 4 ( e v ) ( 5 k ) 本征载流子浓 8 2 x 1 0 - 92 3 x 1 0 - 66 91 9 1 0 l o1 1 0 71 5 x 1 0 1 0 度n i ( c m 3 ) 击穿电场 32 41 23 3o 30 4 ( m v c m ) 热导率 4 94 94 91 31 5o 5 ( w c m k ) 饱和速度( c m s ) 2 1 0 72 x 1 0 72 1 0 7 2 2 x 1 0 7 1 1 0 72 x 1 0 7 介电常数 1 09 79 691 1 81 2 8 溶点( o c ) 2 8 3 02 8 3 0 2 1 0 0 ( 升华) 1 4 2 01 5 1 0 电子迁移率 l i c - a x i s8 0 0i i c - a x i s6 0 ( c m 2 v s ) p e r pc 。a x i sp e r pc a x l $ 9 0 01 2 5 01 2 0 06 5 0 0 8 0 04 0 0 空穴迁移率 ( c m 2 v s ) 1 1 59 04 02 5 04 2 03 2 0 碳化硅( s i c ) 是第三代半导体材料的典型代表，也是目前晶体生长技术和器件 制造水平最成熟、应用最广泛的宽禁带半导体材料之一，是高温、高频、抗辐照、 大功率应用领域里极为理想的半导体材料。由于s i c 功率器件可显著降低电子设备 的能耗，因此s i c 功率器件也被誉为带动“新能源革命”的“绿色能源”器件。 第一章绪论 1 24 h s i c 研究中遇到的问题 s i c 材料在高压、高功率开关器件和高温电子学领域具有较强的竞争力。然而， 这些器件要成为高温、高频、大功率领域的主流器件并实现实用化还有许多问题 尚待解决。 1 ) 作为衬底材料的s i c 体晶在降低缺陷密度、提高均匀性的同时，必须大幅度 降低其成本。另外，制取高纯、高掺杂的大尺寸体晶的关键技术也应尽快突破； 2 ) 需要提高离子注入技术，以实现平面工艺，为集成电路的发展奠定基础； 3 ) 高温下s i c 器件欧姆接触的可靠性需要进一步提高； 4 ) s i 0 2 s i c 界面态很大程度上决定s i c 场效应器件的性能，如果界面态密度可 以降到常规器件的水平，那么s i c 场效应器件的特性将会得到很大改善； 5 ) 刻蚀和封装问题。 这些问题的解决是s i c 器件实现实用化的关键。随着这些问题的解决，可以预 见s i c 器件必将成为2 l 世纪半导体工业中一个不可缺少的新成员。但是，同时还应 看到有关s i c 材料、器件的研究水平与实际应用还有较大的距离。为使其进一步实 用化，可以从以下几点考虑： 质优价廉的衬底；可控掺杂的优质外延；热稳定的肖特基接触：低阻的欧姆接 触；选择性优良的刻蚀方法；进一步改良的s i 0 2 s i c 界面等。 1 34 h s i c 双极晶体管的研究意义 宽禁带半导体s i c 功率器件技术是一项战略性的高新技术，具有极其重要的军 用价值和民用价值，因此得到国内外众多半导体公司和研究结构的广泛关注和深 入研究，成为国际上新材料、微电子和光电子领域的研究热点。 s i c ( 特别是4 h s i c ) m o s f e t 较低的反型层迁移率和栅氧化层可靠性问题，使 得这些器件的电流处理能力比理论值低得多。如考虑栅氧击穿并假设氧化层击穿 电场为6x 1 0 6 v c m ，则漂移区导通比电阻是理论值的9 倍。与功率m o s f e t 相比， 4 h s i c 双极晶体管( b j t s ) 在大功率器件应用中有着明显的优势。高温条件下4 h s i c b j t s 能够在较低外加电压下得到更高的输出电流，并提供更好的器件稳定性。 相对于硅器件，碳化硅器件具有更高的性能。双极型晶体管与大多数的场效应 晶体管相比，具有更高的载流子调制和处理能力及较低的导通电阻，而且它也是 其它双极器件如绝缘栅型双极晶体管( i g b t ) 、m o s 栅晶体管( m g t ) 、门级可关断 晶闸管( o t o ) 等的重要组成部分。此外，由于双极晶体管的体迁移率远大于m o s 管的表面迁移率，因此它具有更好的频率特性和更高的开关速度。 4 4 h s i c 隧道双极晶体管的模拟研究 1 4 国内外研究进展 近年来，s i c 双极型载流子功率器件b j t 、g t o 和i g b t 取得了很大进展。与 s i 双极型晶体管相比，s i c 双极型晶体管具有低2 0 5 0 倍的开关损耗及更低的导通 压降。对于s ib j t 功率器件，二次击穿现象很严重。然而s i cb j t 功率器件由于二 次击穿的临界电流密度大约是s i 的1 0 0 倍，因此二次击穿已经不再是影响b j t 性能 的关键问题。同时，由于s i c i l 盎界击穿电场大，s i cb j t 的基极和集电极可以很薄， 从而提高了器件的电流增益和开关速度。 2 0 0 4 年美 r u t g e r s 大学和u s c i 公司联合成功研制阻断电压为9 2 8k v 、比导通 电阻为4 9m f l c m z 、电流增益为7 的4 h s i cb j tp j 。c r e e 公司报道了电流增益为4 4 、 阻断电压为3 2k v 、比导通电阻为8 1m q c m 2 的4 h s i cb j t 4 l 。m d o m e i j 等测 试结果显示，当击穿电压达到l1 0 0v 时，s i cb j t 电流增益可以突破6 0 ，在脉冲模 式下电流增益甚至超过y 9 0 t 纠。目前， s i cb j t 主要分为外延发射极型b j t 和离 子注入发射极型b j t ，典型的电流增益在1 0 - 5 0 之间。与m o s f e t 相比较，b j t 的 驱动电路较为复杂，但是和j f e t 器件相比，其制作工艺简单。 有关s i cb j t 的研究取得了很大进展。y l u o 等人 y 2 0 0 0 年研制出了第一个 4 h s i c 功率双极型晶体管，阻断电压为8 0 0 v ，集电极电流密度达1 0 4a c m 2 ，室 温下共发射极电流增益为9 4 ，并随温度的上升而下降【6 】。s e i h y u n gr y u 等人研制 出了阻断电压为1 8 0 0 v 的4 h s i cn p n 双极晶体管，室温下最大电流放大倍数为2 0 ， 导通电阻为l o 8 1 2 c m 2 ，该器件的电流增益显示出接近于零的温度系数( n z r c ) 1 7 】。 y it a n g 等人报道- j b v c e o 为5 0 0 v ，电流增益为8 的外延基区、注入发射区的4 h s i c b j t ，该样品显示了负温度系数的电流增益【8 l 。i p e r e z w u r f l 等人于2 0 0 3 年研制 了高电流密度及高功率密度的4 h s i c 双极晶体管，最大共射极电流增益为1 7 4 ， 具有负温度系数，最大电流密度为4 2 k a c m 2 ，最大直流耗散功率密度为1 6 7m w c m 21 9 1 。 由于受限于s i c 单晶材料和外延设备，国内在s i c 功率器件方面的实验研究起步 较晚，但我国一直在跟踪国夕l - s i c 宽禁带半导体的发展。在国家重点基础研究发展 计划( 9 7 3 计划) 和高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 的支持下，先后启动了“宽禁带半导 体x x x 基础研究”、“s i c 高频高温功率器件”和“s i c 单晶衬底制备”项目的研究。特 别是在“宽禁带半导体x x x 基础研究”项目的推动下，国内已经步形成集s i c 晶体生 长( 中电4 6 所、山东大学和中科院物理所等) 、s i c 器件结构设计( 电子科技大学和西 安电子科技大学等) 、s i c 器件制造( 中电1 3 所、5 5 所和西安电子科技大学等) 为一体 的产学研齐全的s i c 器件研发队伍。 在s i c 器件制造方面，现阶段国内已具备自主生长s i c # l , 延的能力，并取得了可 喜的成果。基于国产s i c # l , 延材料的不同功率密度s i cm e s f e t s 相继问世，从一定 第一章绪论 程度上验证了国产s i c 夕j - 延材料、器件设计和制作工艺的实用性【1 p 1 2 1 。 现今国内对4 h s i c 双极晶体管的研究不多，发表的文献也比较少，而且还没 有实验数据出现。 目前，国内外对s i c 双极晶体管的研究主要集中在大功率方面。在其发展过程 中主要出现的问题有： 1 研究大功率s i c x 叹极晶体管的方向应该是提高略r s p 删的比值，即提高击 穿电压的同时减小开态电阻。 2 由于s i c 材料本身在室温下不完全离化、载流子寿命短，导致s i c 双极晶体 管的电流增益偏低。 3 s i c 双极晶体管的开启电压较大。 4 s i c 工艺上还存在很多问题。 1 5 本文的主要工作 金属氧化层半导体是隧道二极管的典型结构，其电流机理是多数载流子隧穿 氧化层势垒，形成隧穿电流。载流子穿过势垒的隧穿时间不受常规渡越时间的支 配，而受单位时间的量子跃迁几率支配。这一隧穿时间极短，允许将隧道器件出 色的应用于毫米波段。将上述结构应用于晶体管的发射结，形成金属氧化层半导 体双极晶体管。它不但具有普通晶体管的特性，并且期待其具有更优秀的高频特 性和温度特性。 本文的主要工作是基于国内外已经发表的4 h s i c 的材料特性数据，针对上述 4 h s i c 隧道双极晶体管的结构，在i s et c a d 仿真软件中建立数值模型，并利用 软件模拟研究其特性，为进一步的实验提供理论的指导。本文主要工作如下： 1 首先介绍研究s i c 双极晶体管的意义，以及s i c 双极晶体管的发展现状和存 在问题。 2 参照已有的实验数据，对基于4 h s i c 材料的隧道二极管的正向i v 特性进 行仿真验证，以此作为构建4 h s i c 隧道双极晶体管模型的基础。 3 建立4 h s i c 隧道双极晶体管的物理模型和数值模型，对所建的器件模型进 行直流特性仿真。利用该模型分析影响4 h s i c 隧道双极晶体管共射极电流增益的 各种因素。 4 分析频率特性参数矗和丘与器件结构之间的关系。在直流模型的基础 上，对结构参数作了适当修改，对器件的交流小信号特性进行模拟仿真，并提取 其特征频率、最高振荡频率。 第二章m i s 隧穿机理 第二章m i s 隧穿机理 7 m i s 隧道二极管是一种常用的半导体器件，由于隧道二极管有成熟的工艺和较 高的可靠性，它被用于特殊的小功率微波领域，如本地振荡器和频率锁定电路。对 于金属绝缘层半导体( m i s ) 二极管，电流电压特性严格依赖于绝缘层的厚度。若 绝缘层足够厚( 对s i s i 0 2 系统，大于5 r i m ) ，载流子通过绝缘层的输运就可以忽略， m i s 二极管代表了常规的m i s 电容器。然而，若绝缘层极薄( 小于l n m ) ，载流子 在金属和半导体之间输运受到的阻力就很小，这种结构代表了肖特基垫垒二极管。 绝缘层厚度居中( 1 n m 0 时，能带图 e c 艮 口 、 锄 眈 e 丫 e f ii 叩 - ， 钐 缪 v 0 v 0 ( b ) v e 9 j ( 2 - 2 3 ) 图2 4 迁移率随掺杂浓度的变化图2 5 迁移率随温度的变化 本文为了精确模拟结果，加入了以上三种迁移率模型。在电压比较低的时候可 以不考虑高场迁移率速度饱和模型。利用上述模型得到掺氮的s i c 迁移率模拟曲线 如图2 4 、2 5 所示。从图中可以看出，由于各种散射受掺杂浓度和温度的影响，迁 移率随温度的升高、掺杂的增大而减小，变化趋势和数值大小与实验结果符合得较 1 4 _ 一 4 h s i c 隧道双极晶体管的模拟研究 好。 ( 4 ) 复合模型 本文中t e b t 的模拟仿真过程中主要用到的复合模型有s r h ( s h o c k l e y r e a d h a l l ) 复合、a u g e r 复合。 d e s s i s 中采用的s r h 复合模型公式如下： r s 嘲。 n p 一啊 ( 2 2 4 ) 其中为s r h 复合率，刀和p 分别为电子和空穴浓度，吩为本征载流子浓度， 易为复合中心能级。f 。和r p 分别为电子和空穴寿命： 铲砸r ox ( t 牙3 0 0 ) * ( 2 2 5 ) 铲砸r p ox ( t 汀3 0 0 ) 。 ( 2 2 6 ) 其中r 。和r 口。分别为温度在3 0 0 k 时的本征半导体电子和空穴的寿命，i s e 中 6 h s i c 的r 神和r p o 分别为0 1 炒和0 0 2p s ；4 h s i c 的r 。o 和r p o 分别为2 5p s 和 0 5 卢s 。i x 对6 h - s i c 和4 h s i c 分别取一1 5 、1 7 2 。 另外，d e s s i s 中关于a u g e r 复合的表达式为： 其中e 、c 口分别为电子和空穴a u g e r 系数，对6 h s i c ，g = 2 8 x 1 0 圳， q = 9 9 x 1 0 。3 2 ；而对4 h - s i c ，c = 5 x 1 0 。1 ，q = 9 9 x 1 0 。2 。 流子可以获得足够的能量而引起碰撞离化( 雪崩产生) ，这个过程可以看成a u g e r 复 其中a 。、a p 分别为电子和空穴的碰撞离化系数，、分别为电子和空穴的 对于6 h s i c ，口。、口p 常用c h y n o w e t h 模型一表示 第二章m i s 隧穿机理 础脚o e x p ( 一- 加y ) r ( r ) = h e 2 七瓦 2 七丁 1 5 ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) 其中y 和h e 分别为声子和阻碍加速载流子与温度的关系，e 为电场强度，口。、 b 为拟合参数。a 嘶= 1 6 6 x 1 0 6c m 一；a o 尸= 5 1 8 x 1 0 6c m 一：屯= 1 2 7 3 x 1 0 7c m 一， 6 一= 1 4 x 1 07 c m 一；h e = 0 0 6 3 e v 。 对于4 h - s i c ，口。、口。则采用o k u t o 和c r o w e l l 的经验模型： 蝎丁) = 7 2 6 x 1 0 6 ( 1 - 1 4 7 x 1 0 - 3 ( t - 3 0 0 k ) ) e x p ( _ 半p 吣耻6 s s 枷6 1 - 1 5 6 x i 0 - 3 ( r - 3 0 0 k ) ) e x p ( 一半p ( 2 3 2 ) 在本文后面的章节中，我们将讨论器件的击穿特性，因此相应的模拟仿真需要加入 雪崩碰撞离化模型。 一 ( 6 ) 隧穿模型 由于结构中有金属氧化层半导体这样的m i s 结构，在电流形成的机理中存在隧 穿效应，所以在该模拟中加入了隧穿模型。 隧穿几率是隧穿中的最重要的参数之一。在d e s s i s 中，隧穿几率的计算是基于 w k b 近似。其提供的隧穿模型如下： k c ，s ) = 2 聊。朋；( ，) i 廓( ，) 一s f o 阪( ，) 一s l 壳 ( 2 3 3 ) 尺，( 厂，s ) = 2 m 。朋j ( ，) | s e j ，( r f o k e ，( r ) f h ( 2 3 4 ) r c c ( r ，s ) = r f c ( o ，s ) e x p l 一2 j k c h 谚k ( r ，s ) ( 2 3 5 ) r i y ( ，) = 正，( 0 ，s ) e x p l 一2 p r h 涉盼( o ，) ( 2 3 6 ) 此处，k c 是基于导带结构的抛物线延伸至带隙的近似，梯为导带隧穿有效质量， e c 为导带能级。同样地，k v 为基于价带结构延伸至带隙的近似，垅；为价带隧穿有效 质量，e v 为价带能级。1 1 1 0 为自由电子质量，壳为约化普朗克常数。两个隧穿有效质量 均为可调整的参数。r c c ( 在界面或接触面处载流子隧穿至导带的几率) ，l y ( 在界 面或接触面处载流子隧穿至价带的几率) 是能量为s 的粒子在位置o r 之间的的隧穿 1 6 4 h s i c 隧道双极晶体管的模拟研究 ( 7 ) 不完全离化模型 s i c 材料中杂质的离化能较高，杂质不容易完全电离，从而产生载流子的“冻析” 效应，因此模拟中必须采用不完全电离模型。d e s s i s 提供的不完全电离模型如下 2 再n d 舻聃p 卜铲) p 3 7 ， 杉2 老p , p , = n r e x p ( 一可e a - e r ) p 3 8 ， 岛一= 峨。一口d 叫胆( 2 3 9 ) e a e r = 厶e a o a a i v t i | 3 ( 2 - 4 0 ) 怫和彬分别为电离施主和受主杂质浓度，d 和m 分别为有效施主和受主的 杂质浓度，g o 和乳分别为施主和受主杂质能级退化系数，f 和n v 分别为导带和价 带有效状态密度，和e c 分别为施主和受主杂质能级。( 2 - 3 9 ) 式和( 2 - 4 0 ) 式分别表 示杂质离化能和掺杂浓度的关系，m 为总掺杂浓度。 由于s i c 材料中载流子的“冻析”效应，一般情况下必须考虑不完全离化模型。 2 3 3 边界条件 崦埴一做曹以及卜一草多 缁日勺隧遁双午反晶体霄的物理边界条1 午主要有两种典型 情况：肖特基接触界面和欧姆接触界面。 ( 1 ) 肖特基接触界面特性对晶体管的器件性能有着重要的影响。本文采用的肖特 基接触模型如下： 甲：m f 一巾b + 坚砌( 墨) ( 2 - 4 1 ) q ，够 z = 粥g 一刀? ) ( 2 4 2 ) 7 ，- 万= 一q v ( p p 掌) ( 2 - 4 3 ) 如聃p ( 鲁) c 2 舶) 小岫p ( 专列 ( 2 第二章m i s 隧穿机理 其中甲为表面势；f 为费米势，在一般情况下等于外加偏压；m 8 为势垒高 度；v 矛 f l v ，分别为热电子发射速率；，l 善和p 善分别为电子和空穴的平衡密度。 由镜像力和电偶极子引起的势垒高度降低量用下式表示 肛，锄嗜广一每门坞【唔广一( 鲁门( 2 - 4 6 )丘o厶o己o己o 其中e 为电场强度，e o = l v c m ，如为a s = o 时的平衡电场强度， a l 、口2 、p l 、p 2 分别为模型系数。 但) 金属与半导体形成欧姆接触是指在接触处是一个纯电阻，而且该电阻越小越 好。欧姆接触质量的好坏、接触电阻的大小直接影响器件的性能指标，是高温、大 功率和高频半导体器件应用领域的关键工艺。 欧姆接触的形成机理有两种：势垒模型和隧道模型。其中，势垒模型是指当n 型半导体与功函数比其小的金属接触或p 型半导体与功函数比其大的金属接触时， 金属与半导体之间将形成反阻挡层，其i v 特性将是线性关系。隧道模型是指金属 与半导体之间形成阻挡载流子从半导体进入金属的势垒，但是当半导体是重掺杂时， 势垒区将很薄，载流子通过隧道效应穿过势垒区进入金属，其i v 特性也是线性关 系。因此，可以通过两种方法得到良好的欧姆接触：降低势垒高度；减薄势垒区宽 度。在欧姆接触的半导体表面制备重掺杂区就是要达到这两个目的，我们一般采用 离子注入的方式进行高掺杂。 比接触电阻p ，是评价欧姆接触质量的重要参数，是指金属与半导体之间形成的 电尺，与金属与半导体接触横截面积a 的乘积。比接触电阻可以通过金属半导体接触 的i v 特性计算得到，即 成= 觋( 斋) - l ( 2 4 7 ) 方程( 2 3 9 ) 假设金属与半导体接触的整个面积都参与了导电过程，实际的情况并 不是这样。比接触