（微电子学与固体电子学专业论文）4hsic混合pinschottkymps二极管的研究.pdf

摘要 摘要 4 h s i cm p s 是很有前途的半导体功率整流器。本文对4 h s i cm p s 的工作机 理进行了模拟分析，优化设计了器件结构，并对其功率损耗特性进行了研究。 模拟了4 h s i cm p s 的输运特性，对其工作机理进行了二维分析。通过对器件 体内各物理量的定量分析，得出p n 结对肖特基的作用是通过其耗尽层和两p n 结 之间的自j 隙柬影响肖特基的导电沟道这一结论。( m p s 结构的应用，在保留s b d 正 、f 一 向特性的同时，大大提高了其反向特性 这一优势。支 而碳化硅材料的应用更加强化了m p s 的 提出了一种新的4 h s i cm p s 解析模型。基于此模型，提出在对诈反向特性进 行折衷时，如何选择合适的外延层掺杂浓度和厚度、肖特基接触和p n 结网格宽度、 p n 结深度和掺杂浓度。通过对4 h s i cm p s 击穿特性的二维模拟，提出如何选择 合适的p n 结深度、外延层掺杂浓度和厚度以及如何运用j t e 终端技术柬提高击穿 电压。 建立了4 h s i cm p s 的功率损耗的解析模型并对其功率损耗特性进行了计算。 提出从功耗的角度考虑，4 hs i cm p s 存在一个最佳工作温度。f 本文中所研究的 4 h s i cm p s 在7 7 0 k 左右具有最低的功耗。心 、 7 、 、j 、 关键词：m p s 碳化硅j 伏安特性；优化设计；功率损耗“ a b s t r a c t a b s t r a c t 4 h s i cm p si sa p r o m i s i n gp o w e r s e m i c o n d u c t o rr e c t i f i e r t h e w o r k i n g m e c h a n i c s ，o p t i m u md e s i g na n dp o w e rd i s s i p a t i o nw a s s t u d i e di nt h i st h e s i s t h e t r a n s p o r t c h a r a c t e r i s t i c so f4 h s i cm p sw a ss i m u l a t e d t h e w o r k i n g m e c h a n i c so f 4 h s i c 【p sw a st w o d i m e n s i o n a la n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so f p h y s i c a lq u a n t i t i e si nt h eb o d y ，w eg o ta c o n c l u s i o nt h a tt h ee f f e c to fp n j u n c t i o no n s c h o t t k yi st h r o u g h i t s d e p l e t i o nl a y e ra n dt h eg a pb e t w e e nt w op nj u n c t i o t a s t h e a p p l i c a t i o no fm p ss t r u c t u r ei m p r o v e s t h er e v e r s ec h a r a c t e r i s t i c sa n dp r e s e r v e st h e f o r w a r dc h a r a c t e r i s t i c so fs b d a n dt h ea p p l i c a t i o no fs i l i c o nc a r b i d ee n h a n c e st h e a d v a n t a g eo fm p s s t r u c t u r e a a n a l y t i c a lm o d e lo f4 h s i c m p sw a sg i v e n b a s e do nt h i sm o d e l i tw a s p r e s e n t e dt h a t h o wt os e l e c tt h et h i c k n e s so fe p i l a y e r ，t h ed o p i n gc o n c e n t r a t i o no f e p i l a y e r ，s c h o t t k yc o n t a c t ，t h ew i d t ho fp ng r i d ，t h ed e p t ho fp nj u n c t i o na n dt h e d o p i n gc o n c e n t r a t i o no fp nj u n c t i o nf o rt h et r a d e - o f fb e t w e e nf o r w a r da n dr e v e r s e c h a r a c t e r i s t i c s i ta l s o p u t f o r w a r dt h a th o wt os e l e c t a p p r o p r i a t ee p i l a y e rd o p i n g c o n c e n t r a t i o na n dt h i c k n e s s ，p nj u n c t i o nd e p t ha n dj t et e c h n o l o g yt oi n c r e a s et h e b r e a k d o w n v o l t a g eo f 4 h s i cm p s ad o w e r d i s s i p a t i o nm o d e l o f 4 h - s i cm p sw a se s t a b l i s h e d t h ep o w e rd i s s i p a t i o n o f4 h s i cm p sw a sc a l c u l a t e d t h ei n f l u e n c e so ft e r n p e r a t u r eo ns i cm o b i l i t y i o n i z a t i o nr a t ea n di n t f i n s i cc a r r i e r sd e n s i t yw e r et a k e ni n t oa c c o u n t w ef o u n dt h a tt h e 4 h s i cm p sh a sa no p f i m mw o r kt e m p e r a t u r e f o rt h em p sm e n t i o n e di nt h i sp a 口e r ， t h e1 0 w e s tp o w e r d i s s i p a t i o ne m e r g e s a ta b o u t7 7 0 k k e y w o r d s ：m p s s i ci - vc h a r a c t e r i s t i c o p t i m a ld e s i g n p o w e r d i s s i p a t i o n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 m p s 结构概述 功率半导体器件在电力和能源的控制和传输方面起着决定性作用。据估计， 美国电力应用超过百分之六十的部分都用到功率器件。因此，功率丌关的性能对 电的利用率有着重要的影响。在电力电子领域内已经达成这样的共识，系统在效 率、体积、重量等方面性能的进步依赖于半导体器件特性的提高。 在功率系统中，一个好的整流器需要小丌启电压、大导通电流、低漏电流， 高击穿电压以及高丌关速度，而同时具有这些特点是我们追求的最理想目标。p i n 二极管和肖特基二极管( s b d ) 是最常用的两种功率整流器。单极型的肖特基二 极管( s b d ) 比双极型的p i n 二极管有更快的开关速度然而，肖特基二极管的 反向漏电流大、击穿电压低，并不适合高压应用，所以p i n 二极管是最早应用于 高压系统的合理选择。正向导通时存储在漂移区的大量电荷引起的长反向恢复时 划是限制p i n 速度的主要因素，虽然可以通过减少漂移区的少子寿命柬提高p i n 的速度但这会造成正向压降和反向漏电流的增加。 如果有一种器件能够同时具各p i n 和s b d 的优点，即具有s b d 的小开启电 压、大导通电流、快丌关速度又具有p i n 的低漏电流、高击穿电压，这将是最 好的选择。为此w i l i a m o v s k i 1 和b a l i g a 2 为了提高肖特基二极管的反向阻断特 性而首先使用了j b s ( j u n c t i o nb a r r i e rs c h o t t k y ) 的概念；b a l i g a 3 ，4 1 为了改善高压硅 整流器的f 向和反向特性而提出了m p s ( m e r g e dp i n s c h o t t k y ) 结构，其基本结构示 意图如图1 1 ，将p n 结集成在肖特基结构中，当m p s 反偏时，p n 结形成的耗尽 区将会向沟道区扩散，在一定反偏电压下耗尽区就会连通从而在沟道区形成 一个势垒使耗尽层随着反向偏压的增加向n + 衬底方向扩展。这个耗尽区将肖特基 界面屏蔽于高场之外，避免了肖特基势垒降低效应，使反向漏电流大大减小。m p s 的正向特性类似s b d ，只是电流密度由于p 型区的原因而略小，而反向特性则更 像p i n 二极管。另外，采用m p s 结构可使我们灵活地选择势垒低的会属作为肖特 基接触而不用担心反向漏电流会增加。典型硅m p s 的i v 特性 1 3 如图i 2 和1 3 所示 m p s 和j b s 的区别在于j b s 是应用在较低压系统而m p s 是应用在高压系统 中。j b s 器件采用肖特基势垒低的会属，降低了丁f 向压降而它的反向漏电流出于 p n 结的屏蔽效应而降低。正向导电性由肖特基接触决定，而反向阻断由p n 结决 定。在f 向偏压时，电流流过肖特基区所以，浚器件的丌关速度很快。m p s 有 厚的漂移区，所以其串联电阻较大，适合于高压工作。在m p s 中，p n 结区既可 4 h s i c 混合p i n l s c h o t 【k y ( m p s ) - 二极管的研究 山恻吲划叫幽i 叫叫 n肖特基接触 n + 图1 1j b s 乖l m p s 二极管的结构 剀1 2s b d 、p n 结平| im p s 的1 v 止向特性曲线的比较 i 笙【1 3s b d 、p n 结弄m p s 的i v 反向猫特性曲线的比较 以提高反向阻断，也能注入少数载流子到漂移区以减少串联电阻从而降低器件的 正向压降。这种少数载流子的注入浓度比纯p i n 二极管要小的多，所以它的开关 速度仍然比纯p i n 整流器快。 j b s 和m p s 结构克服了s b d 的低阻断电压和高反向漏电流的缺点成为一种 耐高压、高速的理想整流器，在高频功率电源，电动机车的功率驱动，固体白炽灯， 第一章绪论 航天功率系统等领域得到广泛的应用。 1 2 碳化硅材料及其在m p s 中的应用 随着科学技术的发展，越来越多的领域如航天、航空、军事、石油勘探、核 能、通讯等迫切地需要能够承受高温同时又在高频大功率、抗辐照等方面具有良 好性能的半导体器件，硅和砷化镓器件在许多领域已经不能满足这些要求( 如表 1 l ) 。s i c 材料因其大的禁带宽度、高击穿电场、高热导率、高电子迁移率和电子 饱和漂移速度而成为高频、高温、高功率应用中很有盼途的半导体。 表l _ 1当前与未来、h 导体器什i 作温度的比较 廊t l 领域当前r 作温度( ) 术爿i 作温度( ) 汽车屯子 1 2 5 1 4 01 6 5 2 5 0 航空 1 2 52 0 0 航天 3 0 05 0 0 i i 油钻井】7 51 7 5 舳执开枯2 0 0 2 5 0 2 6 0 电力电子 1 2 52 5 0 5 0 0 表1 2 s i cs ig a a s 、卜导体材料基本性质 s i c s ig a a s 4 h s i c6 h s i c3 c s i c 禁带宽度( e v ) 3 2 63 02 21 121 4 3 击穿电场( v c m ) 4 10 64 x l0 64 1 0 62 5 x 10 30 x 】0 5 热导率 4 94 94 91 51 5 ( w c m k ) 饱和谜度( c m t s ) 2 x 10 72 x 1 0 7 2 x 10 7l 1 0 7 ix1 0 7 介电常数 9 79 79 7ll8128 2 l0 0 2 l0 0) 2 l o o 熔点( k ) 1 6 9 0 l5 l0 ( 升华)( 升华)( 升华) 电子迁移率 10 2 06 0 0l 0 0 014 0 08 5 0 0 ( c m 2 v s ) 空穴迁移率 1i54 04 06 0 04 0 0 ( c m 2 v s ) 4 h - s i c 混台p i n s c h o t t k y ( m e s ) - - 极管的研究 图1 4 是高压功率整流器的发展过程图【1 4 】，碳化硅材料的优异性能与m p s 结构的优势相结合是当今功率整流器发展的趋势。理论计算显示s i c 肖特基二极 管有很高的唰压有望作为感性负载功率系统中的反馈整流器得到广泛应用，这种 应用中需要高阻断电压和低反向漏电流的高速二极管。硅肖特基由于低势垒高度 和饱和电场造成大的反向漏电流和低的阻断电压，使其只能在工作2 0 0 v 以下的 c 目w 呻c0 u h 朝e 嗣p 胂r 酬r 岛一p 8 r 删吖 0 删一卜0 螂 署cs 曲o 呐vr 鞋柑捌cp s一洲盯 ， ，嘲( n e w 图1 4 高压功率整流器的发展过程 系统中有实际应用价值：g a a s 整流器可应用到大约6 0 0 v 的系统中目前还没有 合适的可应用在大于6 0 0 v 系统中的商用整流器。碳化硅的击穿电场比硅大十倍， 所以相对于硅来说，碳化硅肖特基的漂移区可以有很高的掺杂浓度和较小的厚度， 器件的串联电阻可以大大地降低，使高压应用成为可能。然而肖特基二极管的反 向漏电流强烈依赖于外加的反向电压，即肖特基势垒和电场强度的关系，如众所 周知的肖特基镜像力势垒降低引起的反向漏电流随电场平方根的指数增长 。e x p ( e ) ) 。相对于硅基s b d ，碳化硅有很高的饱和场强所以，碳化硅肖 特基二极管的反漏电流和电场的问题更加严重，而且这个问题在碳化硅器件最有 希望应用的在高温领域将更明显，所以为了获得高压快速整流器，采用m p s 结构 对碳化硅来 兑就显得特别重要。在碳化硅m p s 中p i n 结构的引入并没有使器件 的反向恢复特性变坏，这是因为碳化硅p n 结压降较高，n - 漂移区的掺杂浓度高而 厚度小没有必要采用注入少数载流子来减少f 向压降。另外，采用m p s 结构可 使我们灵活地选择势垒低的金属作为肖特基接触而不用担心反向漏电流会增加。 最近，s i cm p s 器件的研究取得了一定的进展。h e l d e ta 1 【5 ，7 制作了不同p + 几何形状的4 h s i cm p s 器件，结采用注入铝来形成，其总剂量为1 0 ”c m 一，注入 深度约为o 5um ，钛同时用来作肖特基和背面欧姆接触的令属采用了简单的p + 环终端技术。器件的特性显示反向漏电流减少，击穿电压增大，二者均接近碳化 硅p n 结二极管的极限值，比肖特基二极管有很大的提高。没有发现s b d 和m p s 第一章绪论 的丌关特性有何区别。 d a h l q u i s t e ta 1 【7 用4 h 和6 h s i c 研制了j b s 二极管，他们采用带型p n 结网， p 区是分别在7 0 0 和5 0 0 下注入铝和硼形成的。器件性能说明j b s 和s b d 的 正向特性几乎相同，反向漏电流很低且有陡峭的击穿特性，击穿电压接近漂移层 能承受的理论极限。 k t o n e ，j h z h a o ，p a l e x a n d r o v ，e t a 1 8 ，9 用n i 作肖特基金属和衬底欧姆接 触，p 十区注入铝形成，采用多步结终端扩展( m 丌e ) 技术制作成功了可在2 5 0 。c 条件下工作的4 h s i cm p s ，并集成于感性半桥电路中。分别在不同温度条件下测 量了其i v 特性，它具有很小的漏电流一p i n 二极管的特性、单极f 向特性一 s c h o t t k y 二极管的特性：集成于感性半桥电路中的4 h s i cm p s 则具有很好的玎关 特性。 a h e r f n e re t a 1 1 0 ，1 1 的研究表明，在丌关转换时，4 h s i cm p s 的反向恢复时 间和相关的功耗都几乎为0 。在电源系统中用1 5 0 0 v4 h - s i cm p s 代替最好的6 0 0 v s i 二极管，在1 8 6 k h z 进行丌关时，供电效率可从8 2 提高到8 8 ，并且可以减 少电磁干扰。 碳化硅材料的优异性能与m p s 结构的优势相得益彰，碳化硅m p s 的巨大潜 力己经得到了初步显示。 1 1 3 本文的研究内容及采用的方法 虽然s i cm p s 已有报道，但国内外对它的研究仍起步阶段，其性能还远远没 有发挥其理论优点，离实用化还有很长的路要走。对于其工作机理，还没有人进 行详细的研究：在优化设计方面还没有一个可靠的依据：对其在功率系统中的适 应性，也缺乏理论方面的研究成果。所以从s i cm p s 的理论分析到其实用化有许 多的未知数有待于我们去探索。 m p s 器件结合了肖特基二极管和p n 结二极管，其工作机理既包含了p n 结的 特性也有肖特基的因数，比单独的整流器要复杂得多，所以从理论上弄清m p s 中载 流子的输运过程和工作机理就是本研究的首要工作。本文在第二章中采用数值的 方法，通过对器件的模拟计算，定量分析了器件体内各物理量的分布情况，研究 了载流子在4 h s i cm p s 中的输运规律，深入研究了器件的工作机理。 我们希望m p s f 向特性尽量和肖特基二极管的f 向特性接近，而反向特性尽 量类似p n 结二极管的反向特性。因此，如何优化设计4 h s i cm p s 横向和纵向结 构使在m p s 正向工作时要充分发挥肖特基特性而抑制p n 结特性，反向应用时尽 量使用p n 结特性而抑制肖特基特性就是我们要面临的又一重要工作。本文在第三 4 h s i c 混合p i n s c h o t t k y ( m p s ) - c 极管的研究 章中根据工作机理研究的成果，结合一个解析模型，研究了4 h s i cm p s 器件的纵 向和横向结构参数对器件性能的影晌，包括外延层掺杂浓度和厚度、肖特基接触 金属、肖特基和p n 结的宽度、p n 结深度和掺杂浓度以及终端技术，主要研究了其 正反向特性的折衷以及击穿特性。 4 h s i cm p s 很有潜力作为电源系统中的丌关来使用，其性能的好坏依赖于功 耗和开关速度研究其萨常工作时的功耗对提高系统的供电效率有重要意义。由 于m p s 在肖特基结构中集成了p n 结结构，而且使用了碳化硅材料，功耗情况将 比硅材料的肖特基和p n 结复杂得多。本文在第四章中采用一个改进的解析模型对 4 h s i cm p s 的功率损耗特性进行了研究，从功耗的角度，指出了4 h s i cm p s 的 最佳工作温度。 第五章对全文工作进行了总结，并提出了今后研究的方向。 第二章4 h - s i cm p sr 作机理的研究 第二章4 h s i cm p s 工作机理的研究 4 h - s i cm p s 整流器的单元结构如图2 1 所示，是在肖特基二极管的漂移区集 成了网状的p n 结的一种器件。网状结的设计使p n 结的耗尽区在正向和零偏时不 能相通，这样，在正向工作时，出于肖特基势垒下有多个导电沟道有电流流过， 器件导通。当在n + 衬底上加上正偏压，p n 结和肖特基势垒都变为反偏，p n 结形 成的耗尽区向沟道区扩展，当反向偏压超过某一个值时，肖特基势垒下的耗尽层 就会交叠。当耗尽层穿通以后，就会在沟道区形成一个势垒从而使反向偏压的 增加由耗尽层向n + 衬底方向扩展来支撑。这个势垒屏蔽了肖特基势垒使其不受偏 压的影响，限制了肖特基势垒降低效应，消除了漏电流的增大，这和常规的s b d 明显不同。穿通条件一旦建立，除了由于空问电荷区产生而引起的微微增加外， 漏电流基本保持常数。 云。荔瞄；嫡荔，5 6 e z y ，6 6 e 6 e 6 6 e ，5 e p + 1 1 2 d r l p + 扛 ji ， n + 幽2 1m p s 单元结构幽 t 由于m p s 结构中p n 结的耗尽区对肖特基的作用是垂直于导电方向导电沟 道的宽度依赖于p n 结的耗尽区宽度，而反向时肖特基的屏蔽取决于两侧p n 结耗 尽区的横向穿通，这一特殊工作机理决定了我们必须对它进行二维分析。所以本 文将采用二维数值方法，利用m e d i c i 来模拟4 h s i cm p s 的输运机理、伏安特性， 以及肖特基和p n 结的面积比对器件性能的影响。 2 1 模拟中的模型及参数选取 我们采用成熟的漂移扩散模型，同时考虑了载流子的迁移率模型、碰撞电离 模型和肖特基接触模型，出于碳化硅材料特有性质，我们还考虑了杂质的不完全 电离模型，并对各模型中的参数作了有针对性的修改。 4 h s i c 混合p i n s c h o t t k y ( m p s ) _ 二极管的研究 2 1 1 漂移一扩散模型 漂移散模型主要由三组方程组成： 子连续性方程( c o n t i n u i t ye q u a t i o n ) e q u a t i o n ) 胛2 矿= 一q ( p h + j 一：) 一p 。 ( 1 ) 泊松方程( p o i s s o n se q u a t i o n ) ( 2 ) 载流 ( 3 ) 载流子输运方程( c a r r i e rt r a n s p o r t ( 2 1 ) 其中，矿是电势，占是介电常熟，n 和p 为电子和空穴密度q 为电子电量，j 和v j 分别为电离的施主和受主杂质浓度，见为表面电荷浓度。 害= 土v 万一虬= ( 缈，竹，i 口) 讲q f 2 2 1 詈= 一吉v 万一2 ( 妒，峨p ) 式中，j n 和j p 分别为电子和空穴电流密度tu 和u ，分别为电子和空穴的净复 合几率。 生2g “2 + g 见v 巳( 2 3 ) j = 口卢，e p p q d ，v p 其中，“和一。分别为电子和空穴的迁移率。d 。和d p 分别是电子和空穴的扩 散系数。 2 i 2 迁移率模型 在碳化硅材料中，由于在不同的电场强度下，各种散射机制对迁移率的影响 也不同，所以对迁移率进行了如下选择： 1 ) 低场条件下，在碳化硅材料中，晶格散射( 声学声子) 和离化杂质散射以 及( 各向异性) 压电散射是限制平均自由程的主要相关机制，因此迁移率 与掺杂浓度密切相关。所以我们采用一个与掺杂浓度和温度有关的模型。 m u n j v l 4 x ( l m m u n m i n 2 删+ i 毒毽f 口4 3 0 0n r e f n 对于4 h s i c ，取m u n m i n = 0c m 2 v s ，m u n m a x = 1 0 2 0c m z v s ，n u n = 一2 4 ，n r e f n = 1 5 1 0 ，a l p h n = o 6 1 1 5 2 1 高场隋况下，载流子的漂移速度由于光学声子的散射的增强而达到饱和， 所以在本文中选用了相应的高场模型( c a u g h t y - t h o m a se x p r e s s i o n ) 。 第二章4 h s i cm p sr 作机理的研究 舻薄黟。t s n ( 2 - 5 ) 对于4 h s i c ，g v f = 4 8 1 0 7 m s ，e o n = 1 5 1 0 5v c m ，b e t a n = 2 0 1 6 2 1 3 不完全电离模型 在碳化硅中，由于深能缴的影响，杂质的电离能较大，即使在常温下，杂质也 没有全部离化，这类似于s i 材料在低温下的“冻析”效应。它与器件的电学参数 性能有密切的联系，在器件的分析和设计中必须加以考虑。在本文中，利用费米 分布求解电离方程，模拟了这一现象。 r j = 兰手二_ f l + g c b ( 兰l 兰卫1 盯 ( 2 6 1 v i = _ _ f l + g v bf 兰兰l ) k ， 其中，g c b 和g v b 分别是导带和价带简并度，e d 和e a 分别为施主和受主杂 质能级，e w 和e f p 分别是电子和空穴的费米能级。对于4 h s i c ，我们取g c b = 2 ， g v b = 4 ，e d b ( = e c e d ) = o 0 7e v ，e a b ( 2 e a e v ) = 0 2e v 1 7 】。 2 1 4 肖特基瑗触干昊型 s i c 器件的研究和其他材料的器件一样，首先碰到的问题就是余半接触。碳化 硅是具有间接带隙，载流子的寿命可通过在禁带中添加部适当的复合中心的进行 调节，因此选用以下模型并进行了适当的参数修改。 一= ，+ 等+ 瓦k t l n ( 等卜w o r k f u n c + 一 ( 2 _ 7 ) j 一2g l n ( ”一一”w ) f 2 _ 8 1 十2qp 十l p 、一p 。q l v m a r “i c h n r = 百a r i c h p 7 2 舳一2 ( 忐即舭删( 2 - 1 0 ) 。为表面势，x 。i 为半导体的亲和势，n c 和n v 分别为导带底和价带顶的有效 1 0 4 h s i c 混合p i n s c h o r k y ( m p s ) 二极管的研究 态密度，w o r k f u n c 为会属的功函数，v a p p t i e d 为外加偏压。j 。和分别为电子 和空穴的表面复合电流密度、v 。和v 。分别是电子和空穴的表面复合速度，n 。和n 。 为表面和体内的电子浓度，p 。和p 。分别为表面和体内的空穴浓度。a r i c h n 和 a r i c h p 分别是电子和空穴的反映量子力学和隧道效应的r i c h a r d s o n 常数。m 为镜像力和电偶极子引起的势垒高度降低量。对于4 h - s i c ，我们取x 。= 3 8e v ， n ，= 2 4 9 x 1 0 ”c m ，n 。= 1 5 1 0 ”，a r i c h n = 1 4 6 a ( k - c m ) ，a r i c ：h p = 3 0 a ( k - c m ) 2 1 8 。 2 1 5 碰撞电离模型： 碰撞电离可以看作a u g e r 复合的逆过程，临界电场和击穿电压是由电子和空 穴的碰撞电离率决定的。器件模拟的过程中无法考虑各向异性的离化率，所以在 本文中采取了取平均值的方法 1 8 】。由碰撞电离引起的电子空穴对的产生率可由下 式表示： 儿弘，早 弘 其中a 。和a 。，分别为电子和空穴的碰撞电离系数，z 和i 分别为电子和空穴电流 密度。而碰撞电离率与局部电场有以下关系： 积黟e x ，f f k 空e 。r 陆嘲 哦册e x d 一f 壁e 塑m lr ” 其中e 圳和e 川i 是电流流动方向上的电场分量，嚣( r ) 和m c r i t ( 7 ) 是临界电场， d ：，( 丁) = n i o n i z a + n i o n 1 t + n i o n 2 t 2 ( 2 1 4 ) 。口；“( 7 ) = p i o n i z a + p i o n 1 t + p i o n 2 - t 2 ( 2 - 1 5 ) 对于4 h s i c ，我们取n i o n i z a = 2 5 e 5 c m e i o n i z a = 5 18 e 6c m - e c n i i = 1 7 7 e + 7v c m ，e x n i i = 1 ，e c e i i = i 4 e + 7v c m e x e i i = i ，n i o n 1 = 0 ( c m 酗n i o n 2 = 0 ( c mk 2 ) e i o n 1 = 0 ( c mk ) e i o n 2 = 0 ( c mk 2 ) 一。见参考文 献 1 8 ，1 9 ，2 0 ，2 1 ，2 2 ，2 3 】 第1 二章4 h s i cm p si ：作机理的研究 2 2 不同偏压下的工作状态 为了弄清4 h s i cm p s 的工作机理，在本文中利用选定的各种模型及参数，对 器件内部的耗尽层、电位、电场以及电流密度的分布情况进行了详细的模拟和分 析。模拟所采用的结构如图2 1 所示，p n 结宽度2 9 m ，肖特基区宽度2 u m ，外延 层厚度1 0 9 m ，掺杂浓度1 0 c m ，p + 区掺杂浓度1 0 哺c m ，结深l p t m ，肖特基 金属为镍( n i ) 。模拟的结果如图2 2 、2 0 、2 4 、2 5 所示，图2 2 中( a ) ( b ) ( c ) ( d ) 依 次为4 h s i cm p s 分别在未加偏压、加2 v 正偏压、加1 v 反偏压、加4 0 0 v 反偏 压时体内的耗尽层的分布，其中的虚线为耗尽层的边界，实线为等势线；图 2 3 ( a ) ( b ) ( c ) ( d ) 依次为4 h - s i c m p s 分别在未加偏压、加2 v 正偏压、加1 v 反偏压、 加4 0 0 v 反偏压时体内的电位分靠情况：图2 4 ( a ) ( b ) ( c ) ( d ) 依次为4 h s i cm p s 分别 在未加偏压、加2 v 正偏压、加i v 反偏压、加4 0 0 v 反偏压时体内的电场分布情 况：图2 5 ( a ) ( b ) ( c ) 依次为4 h s i cm p s 分别在加2 v 正偏压、加l v 反偏压、加4 0 0 v 反偏压时体内的电流密度分布情况。 2 2 14 h s i cm p s 未加偏压时的状态： 耗尽层的宽度在1 1 区较宽，而相对的在p + 区窄得多，可忽略不计，这是因为 p + k 的掺杂浓度比n 区高两个数量级，相应的，n 区的耗尽层宽度是口+ 区的一百 倍。肖特基结处以及p n 结处的耗尽层比f 向偏置时要宽，比加1 v 反偏压和加4 0 0 v 反偏压时要窄。此时肖特基和p n 结的电位和电场分布情况是各自自建电势和电场 的分布，肖特基和p n 结均处于零偏状态。 2 2 2 4 h - s i cm p s f 向开启时的状念： 在加了2 v 正偏压后，肖特基结由于f 向偏置状态，耗尽层的宽度已经极小， p n 结的耗尽层宽度与零偏置时相比变化不大。由图2 3 的( b ) 图可以看出，在加正 向偏压2 v 时，肖特基势垒已经被拉平，而p n 结的势垒区两端的电位差有所降低 ( 由于正向偏置电压的作用) ，再由图2 5 的( a ) 图可知此时电流集中在肖特基区， 肖特基二极管已经完全丌启，而从图2 4 ( b ) 的电场分布情况得出p n 结也承受了一 定的压降，但电流密度分布情况和图2 2 ( b ) 中的耗尽层情况表明此p n 结仍然没有 开启，电流很小。m p s 的丌启电压及正向电流密度主要由肖特基决定，所以说在 加正向偏压的情况下，m p s 结构中起主要作用的是肖特基。 2 2 34 h s i cm p s 反向未：j f 断时的状态： 在加了1 v 反偏压之后，肖特基结和p n 结的耗尽层( 图2 2 ( c ) ) 宽度零偏置 时的耗尽层宽度稍宽，但两边p n 结在n 一区的耗尽层还没有达到穿通，没有形成 对肖特基结的屏蔽，从电位和电场分布情况也可以看出，肖特基结处的电位和电 4 h s i c 混合p i n s c h o t t k y ( m p s ) - l 及管的研究 场由其自建势、自建场和1 v 的反向电压决定，没有受到p n 结耗尽层的影响。于 是有图2 5 ( b ) 中的隋况，肖特基结处在较大的面积内仍有一定的反向电流密度。 图2 2 ( a ) ，( b ) ，( c ) 雨i ( d ) 依次为4 h s i cm p s 分别在术加偏压、加2 vi l l l i n - 、加i v 反偏 压、加4 0 0 v 反偏压时体内的耗廪层的分布( 1 兰i 中虚线为耗尽层的边界，实线为铸势线) 第二章4 h s i cm p si ：作机理的研究 ( a ) ( b ) ( c ) 幽2 3 ( a ) ，( b ) ，( c ) 和( d ) 依次为4 h s i cm p s9 * 1 1 在术加偏压、加2 v 止偏压、加l v 反偏压、 加4 0 0 v 反偏乐时体内的电何分布情况 竺一! 旦：! 坚塑鱼! ! 型望! ! ! ! 堕! 坚堕! 三堡堂塑塑壅 ( a ) ( c ) 图2 4 ( a ) ，( b ) ，( c ) 币( d ) 依次为4 h s i cm p s 分别在未加偏压、加2 v 止偏压、加1 v 反偏压、 加4 0 0 v 反偏压时体内的l 乜场分布情况 第一二章4 h s i cm p si ：作机理的研究 c a ) ( c ) ? 1 - 暑- 曼 g 。 - 。 2 。! a 0 o ； ： 2 _ 幽2 5 ( a ) ，( b ) ，( c ) 依次为4 h s i cm p s 分别在加2 v 止偏压、加i v 反偏压、加4 0 0 v 反偏 压时体内的电流密度分布情况 飘f 弱蕊再f 1 盯一丌_ 一一 竺 ! 坚：! 坚塑鱼! ! 型堡! ! ! ! 堑! 竺堕! 三堡堂塑塑壅 刚2 6 肖特基区宽度的变化对4 h s i cm p s 止向特性的影响以及与p n 结 和肖特基_ 二极管的比较。 百 童 世1 e 1 0 轻 舞 留 厦1 e - 1 1 剧 盏茹：酋 02 c g4 0 ( 10 0 0 肋o o f l o1 2 0 01 0 01 6 0 0 a 0 02 0 0 0 反向电c v ) 图2 7 温度为7 0 0 k 时，肖特基区宽度的变化对4 h s i cm p s 反向特性的 影响以及与p n 结帮肖特基_ 二极管的比较。 图2 8 温度为3 0 0 k 时，不同肖特基区宽度及p n 结宽度情况卜硅m p s 的 反向特性。其中m 和s 的单伉都是u m 。 第 二章4 h s i cm p si 作机理的研究 2 2 44 h s i cm p s 反向兴断后的状态： 图2 2 ( d ) 加4 0 0 v 反偏压的耗尽层表明，此时两边p n 结在n 区的耗尽层已经 达到穿通，肖特基结已经处于屏蔽状态而m p s 已经被夹断，图2 4 ( d ) 中的电场 分布情况也表明此时肖特基结处的电场分布已接近p n 结的耗尽层，肖特基结已经 被p n 结的耗尽层屏蔽，而电位分布情况已接近于p n 结。从图2 5 ( c ) 中可以看出， 此时由于p n 结的屏蔽作用，肖特基结只在很小的面积内有一定的反向电流密度， 这样就大大减小了肖特基结的总漏电流，使m p s 的反向特性比起肖特基有了很大 的提高。 2 2 5 总结： p n 结通过其耗尽层的宽度和两p n 结之间的问隙来影响肖特基的导电沟道。 在正向开启状态下，其耗尽层宽度比两p n 结之间的距离小得多在肖特基区保留 了一个n 型导电沟道，肖特基处于诈向导通状念，特性与s b d 相近；当反向偏压 很小时( 以至于两边p n 结的耗尽层的宽度之和小于两p n 结之间的距离) ，两边 p n 结的耗尽层没有穿通，在肖特基区仍有一定宽度的导电沟道存在，此时肖特基 结有一定的反向漏电流；当反向偏压足够大时( 使得两边p n 结的耗尽层的宽度之 和不小于两p n 结之间的距离) ，两边p n 结的耗尽层已经穿通，肖特基结的导电 沟道被耗尽，肖特基结被屏蔽，其反向漏电流没有因为大的反向偏压而变得很大， 漏电流问题得以解决，此时特性接近p n 结。 2 3 伏安特性 为了对工作机理的分析结果进行验证，本文对4 h s i cm p s 的正反向伏安特性 进行了模拟，同时对碳化硅p n 结和s c h o t t k y 二极管以及硅m p s 的伏安特性进行 了模拟比较了不同结构和材料对器件直流特性的影响。 模拟采用的结构如图2 1 所示，p n 结和肖特基区总宽度为4 9 m ，外延层厚度 为1 0 9 r n ，掺杂浓度1 4 1 0 m c m ，p + 区掺杂浓度1 0 1 8 c m ，结深1 岬，衬底厚度 为3 8 0 0 m ，掺杂浓度为1 0 ”c m ，肖特基盒属为n i 。与之比较的p n 结二极管和 s c h o t t k y 二极管分别为p n 结区面积占1 0 0 和肖特基区面积占1 0 0 的情况。 硅m p s 的p n 结和肖特基区总宽度为4 1 x m ，外延层厚度为4 0 1 m a 。掺杂浓度1 1 0 ” c m ，p + 区掺杂浓度1 0 ”c m ，结深l 岬衬底厚度为3 8 0 9 r n 肖特基 金属为n i 。 如图2 6 所示在肖特基区面积足够大时，4 h s i cm p s 的f 向丌启电压与肖 特基相比相差无几但比p n 结要小得多，这是因为m p s 结构在丁f 向偏压下，超 1 8 4 h - s i c 混合p i n i s c h o t t k y ( m p s ) - - 极管的研究 主要作用的是肖特基。它决定了丌启电压，而且对于4 h s i c 柬晓，克服肖特基势 垒所需要的电压比克服p n 结的自建势所需要的电压要小得多。从图2 6 中还可以 看出，随着肖特基区宽度所占单元总宽度的比例的增加，m p s 的j 下向电流密度逐 渐增大，当肖特基区的宽度所占比例大到一定程度，m p s 的性质就很接近于肖特 基二极管，当肖特基区的宽度所占比例小到一定程度时m p s 的性质就很接近于 p n 结。 如图2 7 所示，4 h s i cm p s 的漏电流在高压下比肖特基二极管小得多比p n 结大，但特性曲线与p n 结相似；击穿电压与p n 结接近，比肖特基二极管的击穿 电压要大得多。这是因为m p s 结构在反向偏压下，起主要作用的是p n 结，它决 定了击穿电压，而且p n 结的击穿特性比肖特基二极管要好得多。从图中还可以看 出随着肖特基区宽度的减小，m p s 的击穿特性向p n 结靠拢，当肖特基区的宽 度小到一定程度，m p s 的击穿电压就很接近于p n 结当肖特基区的宽度增大时， m p s 的击穿特陛向肖特基二极管靠拢。 图2 8 是硅m p s 在3 0 0 k 时的击穿特性，对于三种不同的结构，击穿电压均小 于3 0 0 v ，显然4 h s i cm p s 的反向特陛远优于硅m p s 。 综上所述，m p s 结构综合了p n 结结构和肖特基结构的优点，具有很好的正向 和反向特性：4 h s i cm p s 的反向特性优于硅m p s ：还可以通过调整肖特基和p n 结的面积比来调整其性能例如当重点要求好的f 向特性时，可以通过增加肖特 基的面积比来实现，而当更注重反向特性时。可以通过增加p n 结的面积比柬实现。 所以说，4 h s i cm p s 是很有前途的功率整流器。 2 4 小结 采用二维数值方法，利用m e d i c i 模拟了4 h s i cm p s 的输运机理、伏安特性， 对其工作机理进行了二维分析。模拟了肖特基和p n 结在未加偏压、加正向偏置电 压并开启、加反向偏压但未央断以及加反向偏压并央断这四中情况下的状态，定 量地分析了不同偏置状态下耗尽层、电位、电场以及电流密度在4 h - s i cm p s 体内 的分布情况。通过以上定量地分析得出p n 结对肖特基的作用是通过其耗尽层和两 p n 结之间的间隙来影响肖特基的导电沟道这一结论，并通过伏安特性的模拟验证 了其工作机理。 第二章4 h s i cm p s 的优化设计 第三章4 h s i cm p s 的优化设计 本章借鉴b a l i g a 的一维解析模型 2 7 ，针对s i c 材料的特性对之进行了改进， 利用此解析模型对4 h s i cm p s 的各种特性进行了详细的理论分析，计算了器件的 各种几何参数对器件性