（微电子学与固体电子学专业论文）4hsic+pin二极管抗辐照特性研究.pdf

摘要 摘要 4 h s i cp i n 二极管具有很高的反向击穿电压，得益于中间的低掺杂本征层，以 及碳化硅材料的高临界击穿电场。较薄的本征层以及碳化硅的高饱和电子漂移速 度也使4 h s i cp i n 二极管拥有优于硅p i n 器件的反向恢复特性。碳化硅的高临界 位移能使4 h s i cp i n 二极管在辐照环境下具有很强的生存能力。 目前，有关4 h s i cp i n 二极管的直流与瞬态特性的抗辐射能力的报道比较有 限。本文在这方面做了一些工作，包括下列内容。 建立了4 h s i cp i n 二极管的数值模型。选择适用于4 h 型碳化硅的材料参数， 采用器件模拟软件i s e t c a d 模拟了4 h s i cp i n 二极管的直流伏安特性。器件在 电流密度为1 0 0 a c m 2 时的开启电压为2 8 v 。器件在反向偏置达到1 4 k v 时出现击 穿，证明了击穿由雪崩倍增导致。 考察了4 h s i cp i n 二极管的关断瞬态特性。室温下，由3 v 偏置转换到5 0 伏 的反向偏置的关断时间仅为6 9 n s ，反向时的峰值电流仅为8 4 5 1 0 - 4 a 。瞬态特性 表现出正温度系数。 对质子与电子辐照的4 h s i cp i n 二极管的直流与反向恢复特性进行了研究。 辐射后，器件正向偏置时电流稍微下降，1 0 0 a c m 2 时开启电压减小，辐射对器件 正向特性的影响微弱；反向漏电流在辐射后下降，表现出4 h s i cp i n 二极管的优 良抗辐照能力。器件的瞬态特性在辐照后也表现出改善。高温下，器件的表现仍 优于辐照之前。为了进一步改善器件特性，可以考虑在钝化前用低能量的紫外光 照射器件表面，或者提高掺杂浓度。 关键词：碳化硅p i n 二极管辐照数值模拟 a b s t r a c t a b s t r a c t d u et ot h el o w d o p e di n t r i n s i cl a y e ra n dt h eh i g hc r i t i c a lb r e a k d o w ne l e c t r i cf i e l d ， 4 h s i cp i nd i o d e sh a v ev e r yh i g hb r e a k d o w nv o l t a g e t h et h i ni n t r i n s i cl a y e ra n dt h e 1 1 i g he l e c t r o ns a t u r a t i o nv e l o c i t ya l s og i v e s4 h - s i cp i nd i o d e sb e t t e rr e v e r s er e c o v e r y c h a r a c t e r i s t i c so v e rt h es i l i c o nc o u n t e r p a r t s t h e1 1 i g hc r i t i c a ld i s p l a c e m e n te n e r g yo f s i l i c o nc a r b i d ec o n t r i b u t e st ot h eg o o dr a d i a t i o nh a r d n e s so f4 h - s i cp i nd i o d e s t i l ln o w , t h e r ea r el i m i t e dr e p o r t so ft h ed ca n dt r a n s i e n tc h a r a c t e r i s t i c so fs i l i c o n c a r b i d es w i t c h i n gd i o d e su n d e rr a d i a t i v ee n v i r o n m e n t t l l i st h e s i sp r e s e n t ss o m ew o r k o nt h o s er e s u l t si nc o n c e r n n u m e r i c a lm o d e lh a sb e e ns e t u pw i t hp r o p e rp a r a m e t e r sf o r4 hs i l i c o nc a r b i d e t h ei vc h a r a c t e r i s t i e so f4 h s i cp i nd i o d e sh a v eb e e ns i m u l a t e dw i t hi s e t c a d t h et u r n o n v o l t a g ea t ac u r r e n t d e n s i t yo f10 0 a d c m 2i s 2 8v o i t s a v a l a n c h e m u l t i p l i c a t i o nb r e a k d o w nh a st a k e np l a c ew h e nt h ed i o d ei sr e v e r s e b i a s e dt o1 4 k v t h et u r n o f ft r a n s i e n tp r o c e s sh a sb e e ns t u d i e dt o o a tr o o mt e m p e r a t u r e ，w h e nt h e d i o d ei ss w i t c h e df r o mf o r w a r d b i a s e da t3v o l t st oar e v e r s eb i a so f5 0v o l t s ，t h e r u m - o f ft i m ei so n l y6 9n a n o s e c o n d sw h i l et h ep e a kr e v e r s ec u r r e n ti s8 4 5 10 。4 a m p e r e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h et r a n s i e n tc h a r a c t e r i s t i c sh a v ep o s i t i v e t e m p e r a t u r ec o e m c i e n t s s o m ew o r kh a sb e e nd o n eo nt h ed ea n dr e v e r s er e c o v e r yc h a r a c t e r i s t i c so f4 h - s i c p i nd i o d e sa f t e rp r o t o na n de l e c t r o nr a d i a t i o n t h ec u r r e n t sa tl o wf o r w a r db i a ss h o w s l i g h tr e d u c t i o n ，a n dt h et u r n - o nv o l t a g ed e c r e a s e dal i t t l ea f t e rb o t hk i n d so fr a d i a t i o n i ng e n e r a l ，r a d i a t i o nh a sl i t t l ee f f e c t so nt h ef o r w a r dc h a r a c t e r i s t i c so f4 h - s i cp i n d i o d e s t h er e v e r s el e a k a g ec u r r e n ta c t u a l l yd e c r e a s e s t h et r a n s i e n tc h a r a c t e r i s t i c s h o w ss o m ei m p r o v e m e n t sa f t e rr a d i a t i o n t h ed i o d ep e r f o r m a n c ei ss u p e r i o rt ob e f o r e r a d i a t i o ne v e na th i g ht e m p e r a t u r e i nc o n c l u s i o n ，4 h s i cp i nd i o d ei sp r o v e dt ob e w i t hg o o di m m u n i t yu n d e rr a d i a t i o n k e y w o r d s ： s i l i c o nc a r b i d ep i nd i o d e sr a d i a t i o nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 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：遂三垒至牢 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：盈墨蚕丕至 导师龆孑数址 导师签名： 乏乏幺，臼 日期：占堑：主：笙： 日期：赵坚z ：至：兰 第一章绪论 第一章绪论 1 1s i c 材料特性介绍 长久以来，在半导体器件中，硅( s i ) 一直是居于统治地位的半导体材料，被用 来制造各种高温、高压与高频电子器件。然而，随着电子科技的进步，半导体器 件的性能不断提高，硅基器件的性能正逐渐接近极限。同时，电子器件越来越多 的工作在如航天、航空、军事、高温、高压等场合，器件需要忍受各种严酷的环 境条件，这也使得硅基器件的表现越来越捉襟见肘。这些都促使人们将目光转向 了性能更佳的宽禁带半导体材料，碳化硅( s i c ) 就是其中较为人们熟悉的一种材 料。在许多场合，它都表现出优良的特性。 碳化硅材料具有两百种不同的结晶结构，其中常见的有3 c 、4 h 、6 h 和1 5 r 型。这些代号分别表示了它们不同的c s i 原子堆垛结构。在碳化硅晶体中，每对 c s i 原子以不同的排列形式堆积在原有的c s i 原子层上，构成周期性的c s i 原子 层堆垛结构，形成不同的碳化硅多形体。其中，立方密堆积的闪锌矿结构、六角 密堆积的纤锌矿结构和菱形结构分别记作c 、h 、r 。字母前的数字表示密排方向 每一堆垛周期中的c s i 原子层数。这样3 c 表示三层c s i 层构成一个周期的立方 结构，4 h 和6 h 则分别表示四层和六层c s i 层为一个周期构成六角结构。 碳化硅是宽禁带间接带隙半导体。它拥有很高的临界击穿电压和饱和电子漂 移速度。这种材料还具有很强的化学惰性和坚硬度。由于它的能带非常宽( 4 h 型在 室温下的能带宽度约为3 2 6 e v ) ，碳化硅器件能够工作在很高的环境温度下而不至 于因为本征载流子激发导致器件失效。碳化硅材料在发生雪崩击穿前所能够忍受 的极限电场是硅材料和砷化镓( g a a s ) 的5 - 2 0 倍【1 1 。这一高极限电场可以用来制造 高压、大功率器件。另外，碳化硅材料具有很好的热导率，约为硅材料的3 倍【2 】。 在室温下，这种材料的热导率比大多数金属的热导率都高。这一特性使得碳化硅 器件可以做得很小，多个器件可以紧密的放置在一起而不用担心器件因为温度过 高被烧毁，因此它可以应用在高温场合，如航天与汽车工业。碳化硅中较高的电 子饱和漂移速度决定这种材料可以工作在高频场合，应用于射频r f 和微波领域。 碳化硅的电子饱和漂移速度是硅材料的2 - - 一2 5 倍【3 】。 另外，碳化硅也具有很高的临界位移能( t h r e s h o l dd i s p l a c e m e n te n e r g y ) ，约为 4 5 9 0 e v 。这使碳化硅具有很高的抗辐射破坏能力和抗电磁波冲击( e m p ： e l e c t r o m a g n e t i cp l u s e ) 能力。碳化硅材料的禁带宽度比硅和砷化镓宽得多，在相同 的辐射条件下，辐照在碳化硅材料中引入的电子一空穴对相比于硅和砷化镓材料要 2 4 h s i cp i n 二极管抗辐照特性研究 少得多，而碳化硅材料的抗中子能力则至少是硅材料的四倍。 表1 1 列出了碳化硅与主要半导体材料室温下的材料参数。从表中可以看出碳 化硅相对于硅与砷化镓具有优良的特性。 表1 1室温下几种半导体材料特性的比较 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 o2 21 1 2 1 4 3 本证载流子浓 8 2 x1 0 。9 2 3 x1 0 。66 。91 1 0 71 5 1 0 1 0 度n i ( e m 。3 ) 临界击穿电场 4 1 0 64 1 0 64 1 0 62 5x1 0 53 0x1 0 5 ( v c m ) 热导率 4 94 94 9 1 50 5 ( w c m 1 0 饱和速度 2x1 0 72x1 0 72 1 0 7 1x1 0 71 1 0 7 ( e r n s ) 介电常数9 79 7 9 71 1 81 2 8 溶点( ) 2 1 0 0 ( 升 2 1 0 0 ( 升 2 1 0 0 ( 升1 6 9 0 1 5 1 0 华)华)华) 电子迁移率 ( c m 2 v s ) 1 0 2 06 0 0 1 0 0 01 4 0 08 5 0 0 空穴迁移率 ( e r a 2 v s ) 1 1 54 04 06 0 0 4 0 0 最早的人工合成碳化硅材料的活动出现在1 8 9 3 年【4 】。1 9 0 7 年诞生了第一个s i c l e d e 5 1 。1 9 5 5 年第一个碳化硅体材料的生长技术专利出现。之后的一段时间，由 于技术上的障碍，以及人类当时有限的需求，有关碳化硅的研究发展缓慢。随着 硅器件逐渐发展至其顶峰，对更高性能半导体器件的呼声日趋强烈，碳化硅材料 的研究重新成为一个热点。然而难以得到高质量的碳化硅衬底一直是阻碍这一领 域研究发展的主要问题。1 9 8 7 年，c r e e 公司开始积极推动碳化硅的研究，并不断 改善碳化硅材料的制造工艺。在2 0 0 7 年，c r e e 公司实现了直径为1 0 0 毫米零微管 的碳化硅衬底的制造。 碳化硅半导体器件技术的长足进步得益于大尺寸和高质量碳化硅衬底制造技 术的进步。同时，现已广泛采用的计算机软件数值模拟的研究方法在碳化硅器件 的设计和优化中也功不可没。 第一章绪论 1 24 h s i cp i n 二极管的研究进展 碳化硅由于其优良的特性而被用于制造和改进各种高压、大功率半导体器件。 其中单级器件包括肖特基晶体管，金属半导体场效应晶体管( m e s f e t ) 、结型场效 应管( j f e t ) 和m o s 场效应管，双极器件包括p n 结，绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 和 晶闸管( t h y r i s t o r ) 。 碳化硅p i n 二极管是在传统的p n 结二极管的p 型掺杂区和n 型掺杂区中间加 上一层较低掺杂的区域。这种器件具有高击穿电压，较低的正向导通电阻和较短 的反向恢复时间。这些优点使碳化硅p i n 二极管被广泛用于开关、射频r f 和微波 场合。 p i n 二极管很高的反向偏置临界击穿电压d ，来自于中间的低掺杂层承载了 主要的电压降，但中间层的存在会一定程度的提高整个器件的正向开态压降圪。以 及器件关断瞬态过程中的恢复时间。使用4 h s i c 材料制作的p i n 二极管，则可以 弥补这些不利。碳化硅十倍于硅的临界击穿电场，使得碳化硅p i n 二极管的i 区掺 杂可以比硅管高十倍，厚度减小到硅管的十分之一，同时保持高的击穿电压，再 加上碳化硅中很高的电子饱和漂移速度，使4 h s i cp i n 二极管具有较好的关断瞬 态特性和直流伏案特性。 基于4 h s i c 的p i n 型结构的器件包括整流二极管、光电二极管和探测器等。 关于这些器件的呀就已经广泛开展，并取得了很大的进步。目前所研究的4 h s i c p i n 二极管主要采用台面( m e s a ) 结构和平面结构，分别如图1 1 所示【6 】【7 】： a m d e d n 卜l _ n + c a t h o d | e a n o d e 棚嘲 玎卧掣：i 0 ；r r + - t y p 。 耻斟 芝：! ! ：芝：! 翌! i 卜e l o i t a x i a ll a y e r l o wd o p e d n + - t y p e4 h s i cs u b s t r a t e c a t h o d e 图1 1 平面结构与台面结构4 h s i cp i n 二极管剖面图 在这两种结构中电极均采用为欧姆接触。近年来人们逐渐倾向于台面结构，因 为这种结构可以得到比平面结构高得多的反向临界击穿电压。但是这种结构也有 4 4 h s i cp i n 二极管抗辐照特性研究 其自身的缺点，由于台面是刻蚀形成，需要s i 0 2 钝化层保护，在s i 0 2 s i c 的界面 会出现表面态造成低电压时的电流增加而增大功耗。并且如果台面结构的钝化层 制作不良，器件在高电压时会发生损伤性的击穿。 目前得到的具有最高临界击穿电压的4 h s i cp i n 器件是y s u g a w a r a 等人制作 的台面结构4 h s i cp i n 二极管【8 1 ，它可以在接近2 0 k v 反向电压下才发生击穿；在 小于6 k v 的反向电压下，漏电流小于1 1 0 0 a c m 2 ；正向电流密度在1 0 0 a c m 2 时 器件的开启电压降为6 5 v 。器件关断时的瞬态特性也值得一提，4 h s i cp i n 关断 到6 k v 的反向恢复时间最小为t ，= 3 4 n s ，小于同等级硅管反向恢复时间的三十分之 一。 一直以来，p i n 二极管的正向电压漂移困惑着人们。在应用中，随着p i n 二极 管在一定电流密度下的工作时间增加，器件的开启电压圪逐渐增大，最后开启电 压可能会稳定在某一值，也可能会继续增加直到器件完全无法工作。关于这种现 象的成因已经进行了很多研究，其中一种被普遍接受的解释认为位错( d i s l o c a t i o n s ) 和堆垛层错( s t a c k i n gf a u l t s ) 是导致器件正向特性退化的重要因素之一【9 】【1 0 】。另外， k n a k a y a m a 等人认为正向电压的漂移与诸多因素有关，包括有漂移层厚度、晶面 和o f f - d i r e c t i o n 。文章【1 1 】中认为，制作在s i c ( 1 1 2 0 ) 面上的p i n 二极管的正向漂移 电压小于制作在( 0 0 0 1 ) 面上的器件。但是( 1 1 2 0 ) 面的p i n 器件的反向漏电流很大。 k n a k a y a m a 在2 0 0 4 年报道了外延层制作在( 0 0 0 1 ) c 面o f f - a n g l e d 的台面结 构4 h s i cp i n 二极管。其正向电压偏移在10 0 a c m 2 电流密度下经过一小时后仅为 0 0 4 v 。文纠1 2 】牛- 提出另一种改善正向电压漂移的方法，在器件的制作中，加入了 降低基面位错的工艺，提高了正向电压圪的稳定型的同时保证了击穿电压。 基于碳化硅材料的p i n 器件也具有良好的抗辐照能力。2 0 0 3 年，m w o l b o r s k i 等人的研究表明【1 3 】，在经过g a m m a 射线照射后4 h s i cp i n 二极管的直流正向伏 安特性基本不受影响。反向漏电流在4 m r a dg a m m a 辐照后提高了二十倍。之后将 器件暴露在较低能量的紫外光( u vl i g h t ) 中，观察到反向漏电流下降到器件受辐照 之前的水平。这一结果与m w o l b o r s k i 在2 0 0 7 年的实验【m 】中得到的结果类似。 现有大量关于4 h s i cp i n 光电探测器的辐照特性的报道。虽然有关基于 4 h s i c 的器件的辐照特性的报道比较丰富，然而辐照对4 h s i cp i n 二极管的直流 与瞬态特性会造成何种影响，目前这方面的报道比较有限。 1 3 本文的主要工作 本文围绕4 h s i cp i n 二极管在辐射环境下的直流伏安特性与开关特性做了以 下工作。 第一章绪论 1 分析了p i n 二极管在直流稳态正、反向偏置与关断瞬态过程中的工作机理。 给出直流伏安特性和开关特性的计算方法。确定了器件模拟所需考虑的物理机制 和数值模型。 2 基于之前的数值模型对平面结构的4 h s i cp i n 二极管的直流伏安特性与 开关特性进行了模拟，并与实验结果对比。分析p i n 二极管的正向开态压降圪、 临界击穿电压、反向漏电流与瞬态特性中的恢复时间t ，、存储电荷q 等与 温度的关系。 3 分析了辐射对4 h s i c 器件的损伤机理，辐照在材料中产生的缺陷能级以 及它们在s i c 器件中作为陷阱和复合产生中心对器件电学性能的影响。利用辐射 在4 h s i c 中引入的缺陷能级的数据模拟了4 h s i cp i n 二极管在质子与电子辐照后 直流伏安特性和开关特性的变化，分析了可能的原因。根据模拟结果探讨了改善 4 h s i cp i n 二极管的辐照特性的方法。 64 h s i cp i n 二极管抗辐照特性研究 第二章4 h s i cp i n 二极管工作机理与数值模型 相对于普通p n 结二极管，p i n 二极管在两端的p 型与n 型掺杂之间增加了一 个低掺杂层。由于这一层的掺杂浓度较低，常温下自由载流子浓度较两端的高掺 杂区低很多，因此中间低掺杂层又称为本征层或i 层。本征层既可以是n 型掺杂也 可以是p 型掺杂。这是p i n 二极管与p n 结结构上的区别。与p n 结二极管一样， p i n 二极管为双极器件，电子与空穴均参与输运。然而，由于在p i n 二极管中i 层 对器件的伏安特性影响胜过两端的高掺杂区域，所以i 区中的少子特性很大程度的 决定整个器件的直流特性。在p + n 一n + 型器件中，器件特性对i 层少子空穴参数敏 感；相应地，在p + p n + 型器件对电子参数敏感。 相比于p n 结，p i n 二极管的优点在于它能够实现较高的反向临界击穿电压k n ( 目前已有击穿电压接近2 0 k v 的器件) 的同时保持较低的反向漏电流，这得益于 中间较厚的低掺杂层。虽然i 层会造成电阻增大，不过当器件处于正向偏置大注入 状态时，i 层中存在大量由两端高掺杂的p 区和n 区注入的电子和空穴，从而极大 地提高了i 层的载流子浓度，大大降低i 层的电阻，减少i 区上的电压降，这种电 导调制效应可以带来器件正向特性的改善。p i n 二极管作为一种常用的开关器件， 其瞬态特性也备受关注。当器件从正向偏置向反向偏置转换时，本征层中储存的 载流子需要在被“泄放”掉之后器件才能进入稳定状态。这一过程会在短时间内 产生大电流脉冲。在高频场合，这种现象会增大器件功耗，降低器件的反应速度。 然而碳化硅的高临界击穿电场使得p i n 中间的i 层可以做得很薄，加上碳化硅中较 高的电子饱和漂移速度，令4 h s i cp i n 二极管可以具有很好的瞬态特性。 2 14 h s i cp i n 二极管直流伏安特性 以n 型掺杂的中间层为例，在器件的p 型高掺杂区与n 型低掺杂区以及1 1 型 低掺杂区与n 型高掺杂区的界面处分别形成两个p n 结电学结构。在空间电荷区中 会形成由p 型高掺杂区指向n 型低掺杂区以及由n 低掺杂区指向n 型高掺杂区的 内建电场，此时载流子的扩散运动和漂移运动保持平衡。p i n 二极管的结构图和能 带图如图2 1 。 因为在4 h s i cp i n 二极管中，p 型高掺杂区的掺杂浓度较中间的n 型低掺杂 区的掺杂浓度高出3 4 个量级，在p 型高掺杂区与1 1 型低掺杂区的界面处能带发 生很强烈的弯曲。而在n 型低掺杂区与n 型高掺杂区的界面，尽管掺杂浓度也相 差3 4 个量级，但由于两个区域均为n 型掺杂，因此界面处的能带弯曲相对另一 第二章4 h s i cp i n 二极管工作机理与数值模型 7 端较弱。 本文下面的描述中，统一将p 型高掺杂区、n 型高掺杂区和n 型低掺杂区 阳 极p + 鬟黼 n 外延层 霾 瓣 雾 n + p + n 一结 s e 口 门 口 c 仃 n n + 结 0 01 0 2 0 3 0 4 0 5 06 07 08 09 01 0 0 1 1 01 2 0 1 3 0 d i s t a n c ei u m ) 图2 1 4 h s i cp i n 二极管结构图与能带图 阴 极 称为p + 区、n + k 与i 区。在所有公式中使用p + 、n + 和n 一符号分别表示与p 型高掺 杂、n 型高掺杂、n 型低掺杂区有关的量。在很多文献中，p i n 结构中间的低掺杂 层也被称为阻挡层或者漂移区。 2 1 14 h s i cp i n 二极管的正向电流特性 器件正向偏置时，p + l k 空穴与n + 区电子在电场作用下注入到本征层，在i 区 的两端分别形成电子与空穴的积累，形成浓度梯度，向i 区内部扩散。p i n 二极管 的正向电流组成为： j = j 申+ n 一七jr n n + 七jd p 七j 印+ j 翻 q 一、) 其中j r p + 门一为p + k - 与i 区界面空间电荷区内的复合电流，j ， 一肝+ 为i 区与n + 84 h s i cp i n 二极管抗辐照特性研究 区界面空间电荷区内的复合电流，d p + 为注入到p + 区的电子的扩散电流，咖为 注入i 区的空穴的扩散电流，厶为注入i 区的电子的扩散电流。在小电压时，注 入到i 区的电子、空穴数量较低，此时电流主要为i 区两端p - n 结中的复合电流。 随着电压增大，注入到i 区的载流子浓度逐渐提高，在i 区的两端分别形成电子与 空穴的积累，电子与空穴在i 区的扩散电流越来越明显。当电压大到形成大注入时， 注入到i 区的电子和空穴浓度超过i 区的多子浓度，空间电荷区中的复合电流以及 从i 区注入到p + 区的电子电流可以忽略，此时正向电流主要来自p + 区与n + 区注入 到i 区的空穴、电子在i 区的扩散形成的电流。 根据s a h - n o y c e s h o c k l e y 的电流传导理论，正向电流应包括扩散电流和传导 电流两个部分，如下： j = j r + 办= ( le x p 砾丁一1 ) + ( 厶e x p t 1 ) ( 1 - 2 ) ，为复合电流，歹d 为扩散电流，歹，。和儿分别为复合机制与扩散机制的饱 和电流密度，g 为单位电荷，v 为所加偏压，为波尔兹曼常数，z 为绝对温度。 对于碳化硅p i n 二极管，伏安特性可以用下面经验公式表述： 歹厶( e x p 丁) ( 1 3 ) 工。为饱和电流密度，n 为理想因子( i d e a l i t yf a c t o r ) ，其余参数同上式。不同于 硅二极管中理想因子非1 即2 ，在碳化硅p i n 二极管中，正向小电压时的电流主要 来自复合【1 5 】，此时理想因子刀为2 左右；随着电压增大，注入到i 区的少数载流子 数量提高，扩散电流变得不能忽略，n 逐渐增大至1 2 之间。这时，复合电流与扩 散电流并存【1 6 】。另外一种解释是，碳化硅中包含多重杂质能级，深浅不同的分布 在能带中。载流子通过这些能级复合形成复合电流。这里理论也成为多级复合模 犁【1 7 1 。 2 1 24 h s i cp i n 二极管的正向电压特性 正向偏置时，由两端的p + 区和n + 区注入到i 区的电子空穴的浓度远大于i 区 本身掺杂提供的载流子浓度时，本征层的电阻会大大降低，这一现象称为电导调 制。当注入到i 区的载流子扩散长度为i 区宽度的一半时，电导调制效率最高【l 引。 电导调制的效果受i 区少数载流子寿命影响很大，因此，p i n 二极管的伏安特性 对少子寿命敏感。 图2 2 为p + 区浓度为1 1 0 1 9 c m 3 ，i 区浓度为1 5 1 0 1 6 c m 弓，n + 区浓度为 1 1 0 w c m 。的p i n 二极管在正向电流密度为1 0 0 a c m 2 时i 区的载流子浓度。此时 由p + 区注入到n 一区的少子浓度远高于n 一区的本征载流子浓度。可以看到，i 区实 第二章4 h s i cp i n 二极管工作机理与数值模型 9 现了良好的电导调制。 。产 e 3 刍 历 c m o c 2 苟 旦 o d i s t a n c e ( r t m ) 图2 24 h s i cp f n 二极管中i 区的载流子分布 了 g m o o j 生 芝 j 乏 c 弓 厶 在图2 2 中，虚线代表电子浓度，点划线代表空穴浓度。曲线的不对称是由于 碳化硅中电子与空穴迁移率不等所致。 在4 h s i cp i n 二极管中，为了尽可能使器件的正向开启电压减小，在碳化硅 外延层中实现较长的载流子寿命以增强电导调制的效果是至关重要的。影响载流 子寿命的因素包括有：( a ) 杂质种类；( b ) 无意掺入的金属杂质；( c ) 外延层晶型；( d ) 外延层厚度与掺杂分布。如果要实现非常厚的碳化硅外延层( 1 0 0 1 x m ) ，则通常使 用称为热壁外延生长( h o t w a l le p i t a x i a lr e a c t o r s ) 方法。这种工艺可以得到很高的载流 子寿命。 p i n 二极管的正向电压降组成如下： = 巧+ c 锄拉d + + 0 + 。一+ 圪一刀+ + 6 ( 1 - 4 ) 珞为p i n 二极管的正向压降，+ c o 腑c 。为p + 区欧姆接触压降，为n 一区压 降，圪+ 力一、圪一斛分别为p i n 二极管两端p + n 一结和n 一n + 结上的压降，6 为衬 底压降。 i 区压降与电导调制的程度有关。根据一种宽泛的近似，i 区电压降与载流子 寿命的关系如下【1 9 】： = 等c 虽2 厶 ( 1 - 5 ) 1 04 h s i cp i n 二极管抗辐照特性研究 = 警p 老蚴厶 ( 1 - 6 ) k 、t 、w 分别为波尔兹曼常数，绝对温度和i 区宽度。厶为双极扩散长度， 其计算公式为 l o = 4 d o t m ( 1 7 ) 其中，d 口与f 舭分别为双极扩散系数与大注入时的载流子寿命 d n ：嚏n 坠( 1 - 8 ) g 双极载流子迁移率为 心：堡堕( 1 - 9 )心2 上 p n p p 其中，鸬、以分别为i 区中的电子、空穴迁移率。 圪+ 一一和圪一与n 区的掺杂浓度有关。n 一区掺杂浓度越低，两端的结空间电 荷区越宽，电阻越大，压降越大。大注入时，圪+ 彪一与圪一肿之和约等于与p + 区与 n + 区相同浓度的p + n + 结的开启电压。当流过p i n 二极管的电流密度很大时，6 和圪+ c o n 船，也不能忽略。 p i n 器件的正向电阻由以下几部分构成：阳极欧姆接触电阻，p + 区电阻，i 区 电阻，n + 区电阻，阴极欧姆接触电阻。欧姆接触电阻非常小，约为p c = 1 0 。6 q c m 2 ， 在总电阻中可以忽略。p + 区与1 1 + 区电阻相比较i 区也可以不计，因此，正向偏置 下，p i n 的电阻主要来自于本征层。 对于n 型低掺杂区，在不考虑电导调制时，其电阻如下式： 亏= 殇形 ( 1 - 1 0 ) 其中形为n 型低掺杂层的厚度，q 为单位电荷，虬为n 型低掺杂区的掺杂浓 度，u 以为电子迁移率。在正向大注入的情况下，大量的少数载流子注入到本征层 中。为了保持电中性，在本征层中会产生相应浓度的多数载流子。这些多出来的 非平衡载流子会提高本征层的电导，降低电阻。 2 1 34 h s i cp i n 二极管的反向电流特性 根据肖克莱方程【1 9 】，由扩散产生的反向电流为： 严一( 警+ 半 第二章4 h s i cp i n 二极管工作机理与数值模型 i i 负号表示电流方向与正向时相反，- l 为反向饱和电流密度，q 、q 、l 、 三p 分别为电子和空穴的扩散系数和扩散长度，聆p o 、p 挖。分别为n 区与p 区的平 衡少子浓度。 空间电荷区的产生电流，如下【2 0 】： 庀= _ q n ：- x d ( 1 - 1 2 ) 么z g 龙为空间电荷区的产生电流，如为空间电荷区宽度，t g 为空间电荷区内产 生寿命。 理想情况下，反向电流为扩散电流与产生电流之和： 山= 警+ 半+ 等= g 序番+ 口序番+ 等q _ 1 3 ， 乙、f 口为p 区与n 区中电子与空穴的少子寿命。产生电流工，扩散电流 厶0 c 霄。在常温下计算得到的产生电流为1 0 。2 0 a c m 2 量级，扩散电流则小于 1 0 枷从m 2 ，说明p i n 二极管在反向偏置下的电流主要来自空间电荷区的产生电流。 硅二极管在室温下的产生电流与扩散电流为同一量级。在实际器件中，除上面因 素外，表面特性【2 、材料缺陷以及隧穿【2 2 】例所导致的表面和体内漏电流都会使器 件的反向电流增大。 2 1 44 h s i cp i n 二极管的反向击穿特性 对p - n 结施加的反向偏压增大到某一数值时，反向电流密度突然开始迅速 增大的现象称为p - n 结的击穿。发生击穿时的反向偏压成为p - n 结的击穿电压，如 图2 3 所示。 j ol v b d 。 r 一 图2 3 p - n 结的击穿特性曲线 击穿发生时的电流急剧增大来自载流子数目的增加。p - n 结击穿共有三种机 制：雪崩击穿、隧道击穿和热电击穿。碳化硅材料由于其热导率很高，散热快， 一般不会发生热电击穿，在这里不做讨论。 1 24 h s i cp i n 二极管抗辐照特性研究 1 雪崩击穿 反向偏压下，流过p r l 结的反向电流，主要是由p 区扩散到势垒区中的电子电 流和有1 3 区扩散到势垒区中的空穴电流所组成。当反向偏压很大时，势垒区中的 电场很强，在势垒区内的电子和空穴由于受到强电场的漂移作用，具有很大的动 能，它们与势垒区内的晶格原子发生碰撞时，能把价键上的电子碰撞出来，成为 导电电子，同时产生一个空穴。从能带观点来看，就是高能量的电子和空穴把满 带中的电子激发到导带，产生了电子空穴对，如图2 4 所示。 p n 结势垒区中电子1 碰撞出来一个电子2 和一个空穴2 ，于是一个载流子变 成了三个载流子。这三个载流子( 电子和空穴) 在强电场的作用下，向相反方向 运动，还会继续发生碰撞，产生第三代的电子一空穴对。空穴1 也如此产生第二代、 第三代的载流子。如此继续下去，载流子就大量增加，这种繁殖载流子的方式成 为载流子的倍增效应。由于倍增效应，是势垒区单位时间内产生大量载流子，迅 速增大了反向电流，从而发生p n 结击穿。 l2 p 2 o 2 n o + o ， 1 一 图2 4p - n 结中载流子的雪崩产生 雪崩击穿除了与势垒区中电场强度有关外，还与势垒区的宽度有关，因为载 流子动能的增加需要一个加速过程，如果势垒区很薄，即使电场很强，载流子在 势垒区中加速达不到产生雪崩倍增效应所必须的动能，就无法产生雪崩击穿。 在4 h s i c 中，根据1 2 4 ，碰撞离化系数可表示为 a ( x ，丁) = m ( 丁) i e ( x ) l ( 1 1 4 ) 其中m ( 丁) 为温度系数 m ( 丁) = 4 。6 5 8 x 1 0 - 4 2 一o 0 0 7 9 x 1 0 一4 2 t( 1 1 5 ) 作为雪崩击穿发生的依据，离化率积分表达式为 m广h j e x p lj ；( 一) 出l d x = 1 ( 1 - 1 6 ) 在雪崩模型中，定义离化率积分为1 时，器件击穿。 2 隧道击穿( 齐纳击穿) 隧道击穿是在强电场作用下，通过隧道效应，使大量电子从价带穿过禁带到 第二章4 h s i cp i n 二极管工作机理与数值模型 1 3 达导带所引起的一种击穿现象。因为最初是由齐纳提出来解释电介质击穿现象， 故称为齐纳击穿。 当p - n 结加反向偏压时，势垒区能带发生倾斜。反向偏压越大，势垒越高，势 垒区的内建电场越强，势垒区能带也更加倾斜，甚至可以使n 区的导带底比p 区 的价带顶还低，如图2 5 所示。 t e c e 2 上e v 图2 5p - n 结反向偏置下的能带图 内建电场e 使p 区的价带电子得到附加势能g 吲工；当内建电场e 大到某值后， 价带中的部分电子所得到的附加势能q l e x 可以大于禁带宽度e ，如果图中p 区价 带中的a 点和n 区导带的b 点有相同的能量，则在a 点的电子可以渡越到b 点。 实际上，这只是说明在由a 点到b 点的一段距离中，电场给予电子的能量q 吲缸 等于禁带宽度。因为a 和b 之间隔着水平距离为a x 的禁带，所以电子从a 到b 的过渡一般不会发生。随着反向偏压的增大，势垒区内的电场增强，能带更加倾 斜，a x 将会变得更短。当反向偏压达到一定数值，a x 短到一定程度时，量子力 学证明，p 区价带中的电子将通过隧道效应穿过禁带到达n 区导带中。 对于一定的半导体材料，势垒区中的电场倒越大，或者隧道长度a x 越短，则 电子穿过隧道的几率越大。当电场闷大到或者a x 短到一定程度时，将使p 区价带 中大量的电子通过隧道穿过势垒到达n 区导带中去，使反向电流急剧增大，此时 p - n 结就发生隧道击穿。这时外加的反向偏压即位隧道击穿电压( 或齐纳击穿电 压) 。 在隧穿效应中的隧穿电流为 。 ，= r g ，( x 渺( 1 - 1 7 ) d 为隧穿可以发生的最大势垒宽度，当势垒宽度大于此值时，隧穿电流可以忽 略。 。 。 4 h s i cp i n 二极管抗辐照特性研究 g 为隧穿几率，其计算方法为 ，= 一n - ( 2 m ) , 垤q 2 嚣斗筹鲁i m 在4 h s i c 中，能带与温度的关系为 乓仃) = 乓( t o ) + t = 3 2 6 - 3 3 x 1 0 。t ( 1 - 1 9 ) 在考虑隧穿效应时，主要是计算隧穿电流密度，从而得到反向伏案特性。定 义当曲线斜率为1 时发生击穿。 文献【2 4 1 计算了4 h s i cp - n 结的击穿特性与掺杂的关系，结果表示在图2 6 中。 结果表明在较低掺杂时( 7 5 x 1 0 1 6 c m 。3 ) ，击穿特性主要由碰撞离化决定。此时 耗尽层宽度较宽，载流子在大电场下加速，其能量达到碰撞离化能后，碰撞产生 电子空穴对，雪崩倍增发生。随着掺杂浓度提高，耗尽层变窄，小于有效碰撞离 化的积分长度，电场峰值增大，此时器件内的雪崩现象受到抑制。在强电场下， 能带强烈弯曲，电子动能增大，直接从价带隧穿至导带的几率增大，随着电压继 续增大，隧穿的几率上升，隧穿电流急剧增大，导致击穿。 1 0 0 0 0 1 0 0 0 净 1 0 0 1 0 1 0 1 5i 0 1 6 n d c i f l 3 1 0 1 71 0 1 8 图2 64 h s i cp - n 结击穿电压与掺杂浓度的关系 要实现较高的反向击穿电压，p i n 二极管中i 区的厚度和掺杂至关重要。当在 p i n 二极管两端加上反向电压时，器件中的最大电场出现在p 斗- n 一结。电场在i 区 中伸展开，伸展的长度和电场梯度取决于i 区的掺杂浓度与厚度。p i n 二极管的最 大反向阻断电压由本征层的掺杂和厚度决定。 在功率器件中，反向电压降落在p n 结耗尽区、金属半导体接触界面或者金 属- 氧化物半导体的界面。耗尽层中的电场令进入耗尽层的载流子加速而扫出。这 第二章4 h s i cp f n 二极管工作机理与数值模型 1 5 些载流子可以是空间电荷区内产生的，也可以是准中性区漂移过来的。 突变p - n 结是p - n 结的基本结构，其中某一边的掺杂远高于另一边。这样反向 偏置下，空间电荷区主要向低掺杂一边延伸，击穿电压主要由低掺杂一边决定。 假设n 区掺杂浓度较低，当材料的临界电场确定后，击穿电压可以用下式计算得 到： = 等2 篆 弘2 。， 其中e 为临界