（微电子学与固体电子学专业论文）具有超低漏电流的4hsic+sj+jbs的研究.pdf

一 一一一一一i f 剡必 摘要 本文主要利用二维器件模拟软件i s e t c a d 对高压大功率4 h s i cs b d 进行模 拟分析。通过对传统的s i cs b d 和m s 的正反向特性进行研究分析，以降低肖特 基二极管反向漏电流、比导通电阻和提高击穿电压为目标，提出新型器件结构， 实现了在能够打破碳化硅极限的同时保持超低的反向漏电流。最后针对大功率s i c s b d 在i g b t 模块应用中产生的高频振荡的原因，给出了合理的解释。 文中重点分析了4 h s i c 肖特基二极管反向漏电流的输运机制，给出了漏电流 的简单模型。对于能够打破碳化硅极限的s j ( s u p e rj 岫c t i o n ) 结构，文中把它引入到 4 h s i cs b d 中，形成4 h s i cs js b d ，并着重分析s j 结构参数对s b d 反向漏电 流、击穿电压和比导通电阻的影响。研究发现s j 结构虽然没能屏蔽电场、保护肖 特基界面，但是由于s j 本身具有电场调节作用，故s js b d 肖特基界面的电场比 较低，反向漏电流比较小。之后为了进一步降低s i cs b d 的反向漏电流，本文提 出了具有新型结构的s i c 肖特基二极管s jj b s ( s u p e rj u n c t i o nj u i l c t i o nb a r r i e r s c 蛐) ，然后重点分析s j j b s 关键结构参数对该二极管反向漏电流、击穿电压 和比导通电阻的影响。研究得出结论，文中所提出的s j 腰s 不仅能够打破碳化硅 极限，而且还能得到超低的反向漏电流，在2 2 7 3 v 的反向高电压下，其漏电流仅 为9 2 1 0 矗缸2 ，这是到目前为止，理论上s i c 肖特基二极管在2 0 0 0 v 的高压下 所得到的最低漏电流。接着对s jj b s 的反向恢复特性进行研究分析，发现s i cs j j b s 具有很好的反向恢复特性，最后解释了s j 毋s 在作为i g b t 续流二极管工作 时产生高频振荡的原因。 关键词： 4 h s i cs jj b s ，反向漏电流，击穿电压，比导通电阻，反向恢复特性 a b s 仃a c t h i 曲v o l t a g el l i g l lp 0 、v e r4 h s i cs b d ( s c h o m 哕b a r r i e rd i o d e ) i ss i i n u l a ：t c d 锄d 锄a l y z e dl l s i n gt w od i n l e n s i o n a ld e v i c es i i i l u l a t o ri s e - t c a di nn l i sp a p e r i nt l l i s r e s e a r c ki no r d e rt 0r e d u c e 也e 心v e 硌el e a l 【a g ec u r r e n t ，s p e c i f i co n - 陀s i 鼬啪c ea n d b r e a l ( d o w nv o l t a g e ，廿1 ef o r 姗帕觚dr e v e r 靶c h a r a c t e r i s t i c so f4 h - s i cs c h o t 哆b a r r i e r d i o d ea n dj l l i l c t i o nb 秭e rs c h o t t k ya r e 趾a l y z e d t i l e i ln 0 v e ld e v i c es 仃u c t u r ei s p r o p o s c d 1 1 圮n e w l yd e v i c en o to i l l yb r e a k st 量l r o u t h 吐l el i n l i t a t i o no fs i cm a t 耐a l ，b u ti t c 孤a l a c m e v ee x 仃e m el o wl e a k a g ec u r r e n t f i i l a l l y 也ep a p e ra 璐、e r st h eq u e s t i o n w h yt 1 1 e r ei st l i 乒舶q u e n c yo s c i l l a t i o ni nt i 圮h i g l lp o w e rs i c h o t t k yd i o d ei n 吐圮 i g b tm o d l l l e t h ep a p e rm a “ya r l a l y z e st r a l l s p o r tm c c l l a i l i s mo fm el e a l 【a g ec u m n to f 也e 4 h - s i cs c h o t t | 哕b a r r i e rd i o d e 锄dp r o v i d e sas i i n p l em o d e l 1 k nm es j ( s u p e r j u n c t i o n ) s n l j c t l l r ew h i c h 锄b r e a l ( n l r o u 廿lm el i i i l i t a 畸o no fs i cm a t e r i a li si i 衄0 d u c e d a n dr e m i z e di i ls b d s o 恤m m e l ys js b di sb o m 1 1 1 e nm ee 仃e c to f m es j 咖l 曲l r e p a 础e t e ro nt h er e v e r l e a k a g ec u n e n t ，s p e c i f i co i l - 】r e s i s t a n c e 锄db r e a l ( d o w nv o l t a g e o fs js b di ss i m u l a t e d 锄d 觚a j y z e d t h es t u d yr e s u l t ss h o wt l 嫩n 地s js 仃u c t u 】r ec 觚 i l o ts l l i e l d 廿l ek 曲e l e c t r i cf i e l da w a y 五的m l es c h o t c l 哆c o i 妇c t b u ti tc 趾a c m e v el o w l e a k a g cc u 盯e n t ( 1 u et 0i t se l e c t r i cf i e l dm o d u l a t i o ne 虢c t i no r d e rt 0f u m l e fr c d u c en l e l e a k a g ec l l r r 即to fs i cs b d ，an o v e ls i cs b d s jj b s ( s u p e rj l l i l c t i o nj u n c t i o nb a 玎i e r s c h o t 时) i sp r o p o s e di nt 1 1 i sp 印e r t h e n 也ee 疏c to fm ek e ys jm ss 仃u c t u r e p 猢e t e r so nm eh e 他v e r i e a l ( a g ec u r r e n t ，s p e c i f i co n - r e s i s t a n c e 锄db 1 e m 【d o w n v o l t a g eo f t h i sd i o d ei ss i i i l u l 瓠泔锄d 觚a l y z e d 1 ks n 蚵r e s u l t ss h o wt l 谢t h es i cs j j b sn o to i l l yb r e a k st h r o u l 廿1 el 硫胁i o no fs i cm a t 甜a l ，b u t “c 硒a l s oa c l l i e v e 舒心即舱l o wl e a l 【a g ec u i r e n t n si e a l 【a g ec u r r c n tc 锄b e 笛l o w 嬲9 2 1 0 8 b m 2 u i l d e rar e v e r s ev o i t a g e 雒l l i g h 私2 2 7 3 vs of 打i i lt l l e o r y t h el e a l 【a g ec u r r e n ti st h e l o w e s to n e 斌吐圮s i cs b dc 姐a c l l i e v eu i l d e rar e v e r s ev o h a g el l i 曲e rm a n2 0 0 0 v a n dn l e nm er e v e r s e 嗽o v 唧c h a r a c t e r i s t i c so f t l l es i cs jm si ss t u d i e d n l es i cs j j b ss h o ws u p e r i o rr e v e r s er e c o v e 巧p e r f o n n a n c e l a s t l y ，t h ep a p e re x p l a i nw h yt l l e r ei s h i g l l 舶q u e n c yo s c i l l a t i o ni nt 1 1 eh i 曲p o w e rs i cs c h o t t | 哆d i o d ei i l l ei g b tm o d u l e k e y w o r d ：4 h s i cs jm s ，r e v e r s el e a k a g ec 硼陀n t ，b r e a k d o w nv o l t a g e ，s p e c i f i c o n - r e s i s t 锄c e ，r e v e r s er e c o v e 巧c h a r a c t e r i s t i c s 第一章绪论 第一章绪论 1 1 碳化硅肖特基二极管的优点 肖特基势垒二极管，简称肖特基二极管( s c h o m 哕b a r r i e rd i o d e ，s b d ) 是一种优 良的低功耗、大电流、超高速半导体器件。s b d 是以贵金属为阳极，以半导体材 料为阴极，利用二者接触面所形成的具有整流作用的势垒进行工作的器件。与普 通的p n 结二极管相比，s b d 的势垒高度低于p n 结势垒高度，故其正向导通电压 比p n 结二极管低( 约低o 2 ，可通过很高的导通电流，可以提高整流( 续流) 的效 率。而且，s b d 是一种多子器件，在势垒外侧无过剩少数载流子积累，不存在少 数载流子寿命和反向恢复时间长的问题，因而，s b d 的反向恢复时间只是肖特基 势垒电容的充、放电时间，最短能够缩短到几纳秒，故开关速度非常快，开关损 耗也特别小，尤其适合于高频应用，是用来制作高频快速开关的理想器件【l 翻。这 些优良特性是普通p n 结二极管和快恢复二极管所无法比拟的。但是s b d 是由肖 特基结构成的，受势垒降低效应的影响，反向偏置时，s b d 的漏电流随反向电压 的增大而迅速增大，其击穿是软击穿，阻断特性差。p 烈采用的是p n 结结构，反 向漏电流小，且随反向电压的变化不明显，因此p i n 耐压高，具有很好的反向特 性。然而，p 的正向压降大，反向恢复时间长。可见s b d 和p i n 是各有优势， 如果有一种器件能够同时具备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、快开关速度，又有p 玳二极管的低漏电流、高阻断电压，这将是理 想的功率二极管的选择。为此，b 甜i g a 为了改善高压硅开关管的正向和反向特性提 出了甩s ( j u n c t i o nb a 玎i e rs c h o t 岫) 结构【3 卅。j b s 结构将p n 结集成在肖特基结构中， 当m 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矿衬底方 向扩展。这个耗尽区将肖特基界面屏蔽于高场之外，避免了势垒降低效应，使反 向漏电流大大减小。j b 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j b 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电流会增加。可见，儿s 克服了 s b d 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， 在高频功率系统中得到了广泛的应用。 随着人类社会的不断发展，人们对能源的需求量越来越大，而煤炭、石油等 传统能源却一步一步走向枯竭，于是乎，在新能源充分开发出来之前，节约能源 成了人们的当务之急。节能的巨大压力使得人们要求现代电力系统具有超高的耐 压性能和超低功耗，这就要求功率系统中的半导体器件具有超高阻断电压和超低 2 具有超低漏电流的4 h s i cs j 旧s 的研究 导通电阻。提高器件的耐压一般有两种方法：降低掺杂浓度和加厚耐压区，很遗 憾的是，这两种方法在提高器件耐压能力时也使其导通电阻变大了。器件的导通 电阻和击穿电压具有如下极限关系【5 】： k 审= 矗 n ， 式中，民岬为器件的比导通电阻，艮为材料的临界击穿电场，和分别为材料 的介电常数和载流子迁移率。这是一个非常可怕的关系，称为材料极限，对于硅 材料则称为硅极限。由于硅材料的临界击穿电场比较小，所以硅二极管的比导通 电阻随着击穿电压的增加而迅速增大，这是我们所不希望看到的。 由于s i c 材料具有很高的临界击穿电场( 3 0 1 0 6 v c m ) ，所以s i c 二极管可以 达到很高的击穿电压，并且由式( 1 1 ) 可知，与硅二极管相比，在相同的击穿电压下， s i c 二极管的比导通电阻要低很多。此外s i c 材料具有很宽的禁带宽度( 4 h s i c 为3 2 6 e v ) ，所以碳化硅功率器件可以在高温下工作而保持较小的反向漏电流。又 因为s i c 二极管制造工艺相对简单，故s i cj b s 产品已经很成熟，在功率整流管领 域牢牢占据统治地位。然而s i c 本身也有式( 1 1 ) 所描述的极限，即“碳化硅极限”， 至今仍然没有能够打破该极限的成品出现。再者，因为s i c 的临界击穿电场很高， 所以在反向偏置时，s i cs b d 肖特基界面的电场会很高，导致很大的反向隧穿电 流，虽然s i cj b s 能有效抑制反向漏电流，但进一步的改善仍然是很必要的。现如 今，一个能够打破碳化硅极限且具有超低反向漏电流的s i c 肖特基二极管是现代 大功率系统所急需的，也是众多研究者努力的方向。 s i cj b s 凭着自身的优越性能而成为了i g b t 模块续流二极管的理想选择，在 功率系统中发挥着巨大作用。然而在功率系统中由于存在感性负载和杂散电感， 这些电感与续流二极管自身电容构成了l c 振荡电路，因此续流二极管在从开态转 向关态的过程中会出现高频高压、大电流振荡，不仅对系统产生毁灭性的破坏， 而且还会产生电磁辐射和干扰问题，对周围环境也产生了危害。要抑制并消除续 流二极管高频振荡得先知道其成因，关于这方面的研究，专家学者们对高压硅p n 二极管分析得比较透彻，然而对s i c 二极管尤其是s i cj b s 的相关研究却几乎没有。 为了使高质量大功率系统能更好地工作，关于s i c 旧s 作为续流二极管的研究很有 必要深入到抑制高频振荡这一步。 1 2 碳化硅肖特基二极管发展现状 由于碳化硅肖特基二极管在高频大功率系统中有广阔的应用前景，人们对它 进行了大量的研究，并不断地取得新成果。 从耐压方面来看，耐压最早接近于1 0 0 0 v 的碳化硅s b d 是在1 9 9 3 年出现的， 第一章绪论 该二极管制作在6 h s i c 衬底上【6 】。到了九十年代中期，人们成功的生长出4 h s i c 材料，由于它的临界击穿电场、禁带宽度和电子迁移率均高于6 h s i c ，所以用它 制成的s i cs b d 拥有更优越的性能。据报道可知，1 9 9 5 年r a g l l l m a ：c l l 趾，r 等人 成功地在4 h s i c 衬底上制作出击穿电压高于l o o o v 的4 h s i cs b d 【7 1 ，室温下，反 向偏压为1 0 0 v 时其漏电流为6 1 0 - 5 从m 2 。此后，随着时间的推移，研究s i cs b d 的人也越来越多，4 h s i cs b d 的击穿电压也不断地得到提高。2 0 0 2 年，rs i n g l y 等人报道了击穿电压为4 9 l 【v 的4 h s i cs b d ，室温下，其漏电流在4 0 0 0 v 的反向 电压下仅为2 1 0 - 3 。而且在同篇文章中还报道了击穿电压为1 7 l 【v 、比导通 电阻仅为o 6 4 m q c m 2 、最大正向电流为1 3 0 a 的4 h s i cs b d l 3 】。2 0 0 3 年，击穿电 压高达1 0 k v 的4 h - s i cs b d 问世【9 j ，虽然该二极管的比导通电阻也高达 9 7 5 m q c m 2 ，但管子的b f o m 值已经很高了。当反向电压高达3 4 0 0 v 时，该二 极管的反向漏电流可低至1 4 l o - 6 删，临近击穿时，漏电流上升到 1 4 1 0 - 2 a c m 2 。两年后，即2 0 0 5 年，日本学者t 0 m o n o r in a k a m u 均等人研制出击 穿电压高达4 1 5 0 v 、比导通电阻仅为9 0 7 i n q c m 2 的4 h s i cs b d 【1 0 1 ，其b f o m 值 高达1 8 9 8m w r c m 2 ，在3 5 0 0 v 的反向电压下，该管子的反向漏电流为 一 1 4 1 0 - 4 从m 2 ，临近击穿时漏电流升至9 6 1 0 - 4 从m 2 。到了2 0 0 8 年，最接近碳 化硅极限的4 h s i cs b d 由日本学者j o l l j in i s h j o 等人研制出来【l l 】，该二极管采用 。 浮空结结构，通过电场调制作用，在把击穿电压提高至2 7 0 0 v 的同时把比导通电 阻降低至2 5 7 r n q c m 2 ，其b f o m 值高达11 3 g w c m 2 ，已经非常接近碳化硅材料 的极限了。由于没有采用结势垒结构，该二极管并没能抑制反向漏电流。同年， j 学者l i nz h u 针对4 h s i cj b s 建立解析模型1 1 2 1 ，详细地分析了s i c 旧s 在正向偏 置和反向偏置下的电流输运情况，给出了电压、电流公式，其中最引人注目的是， 他建立了s i cj b s 的反向漏电流模型并通过实验验证，成功地驳斥了b j b a l i g a 的 一个重要论断，即当结势垒形成后，随着反向电压的上升，m s 肖特基界面电场保 持不变，他指出，在结势垒形成后，随着反向电压的升高，j b s 肖特基界面电场也 在逐渐增大，并与反向电压成一定的比例关系。同时他研制出了一种新型的j b s l c j b s 【1 3 】，旨在进一步降低4 h s i cj b s 的反向漏电流，室温下，当反向偏压高达1 1 0 0 v 时l cj b s 的反向漏电流仍然低于l 1 0 - 7 从m 2 。2 0 1 1 年，中国学者y i n gw 撕g 提 出了新型的j b s 结构p o pm s 和p i pm s l l 4 1 ，他所提出的这两种结构能减弱传统 m s 结构对击穿电压的削弱作用，与传统的j b s ，p o p j b s 和p p j b s 的b f o m 值 分别提高了4 1 倍和2 9 倍，在8 0 0 v 的反向偏压下，两者的反向漏电流分别为 9 4 5 l o - 1 0 从m 2 和1 2 2 l o 9 从m 2 ，当然这只是仿真值而已，因为这两种二极管 还没制造出来。 s i cj b s 的一个重要应用就是作为i g b t 的续流二极管使用，关于这方面的研 究结果，这几年也有相关的报道【l 孓1 7 】，但这些报道中都没有关于续流二极管在反 4 具有超低漏电流的4 h s i cs jj b s 的研究 向恢复过程中产生的高频振荡的论述。只是在高压硅p 矾二极管的应用中有相关 报道1 3 彩l 。因此，这方面的研究有待人们去开展。 1 3 本文的主要工作 综上所述，至今为止，不管是在现实中还是在理论上，能够打破碳化硅界限 且具有超低漏电流的肖特基二极管仍然没有出现，因此本文的主要工作便是研究 分析4 h s i cs b d 的反向漏电流机制，然后根据分析结果，结合超结结构提出新型 s i cj b s ，既打破了碳化硅极限，又能得到超低的反向漏电流。最后以这种新型m s 为例，模拟分析了高压s i cs b d 作为i g b t 续流二极管的应用情况，给出了s i cs b d 在应用中产生高频高压、大电流振荡的原因。 第一章为绪论，简单介绍了论文研究主题的由来和全文的大体框架。 第二章分析论述了s i cs b d 和皿s 的工作机理，重点分析了反向漏电流的形 成机制，并给出了简单模型。 第三章分析了s j 理论及s j 结构特点，研究s j 结构参数变化对s i cs js b d 击 穿电压、比导通电阻和反向漏电流的影响。 第四章提出具有新型结构的s i cs j 鹏s ，并且在击穿电压、比导通电阻和反向 漏电流这三个主要性能指标上，把s jj b s 和s js b d 、s b d 放在一起进行分析比较， 以突显出s j j b s 的优越性。 第五章第一部分是建立模拟仿真电路，对s i cs jj b s 的基本反向恢复特性进 行模拟分析，并对s jj b s 在反向恢复中的特性进行解释。第二部分主要研究s i cs j j b s 作为i g b t 续流二极管的具体应用，也是先建立等效模拟电路，然后进行模拟 分析，接着对其在反向恢复过程中出现的震荡现象进行解释。 第六章对论文作个总结，找出自己在论文课题研究中的不足之处，并且对该 课题的相关研究作出展望，以便后续发展。 第二章s i cs b d 和s i c 甩s 工作机理研究 5 第二章s i cs b d 和s i c 鹏s 工作机理研究 2 1s i cs b d 特性 s c h o t t l ( ) ，b a r r i e rd i o d e ( s b d ) ，是利用金属与半导体之间的接触势垒进行工作 的器件。适合在低压、大电流输出场合用作高频整流、检波和混频，在高速逻辑 电路中用于箝位。与硅相比，4 h s i c 的临界击穿电场大约比硅高1 0 倍，同类型器 件，对于给定的击穿电压，s i c 材料器件的比导通电阻将减小约3 个数量级。s i c 材料以其优越的电学特性使其在高功率、高温应用中具有独特优势。 2 1 1s i cs b d 正向特性 s i cs b d 正向偏置时，其肖特基结上的电流输运主要依靠多数载流子，图2 1 示出了正向偏置下的四种基本输运过程。 i ) o 誓e 玎u 。暑日_ k d 啪k 偶 ( a ) 热电子发射( b ) 隧穿( c ) 复合( d ) 电子扩散 图2 1 正向偏置下的四种基本输运过程 当s b d 用作功率器件时，为了得到较高的耐压，其掺杂通常比较低，这使得 即使在正偏时，耗尽层也比较宽，因此肖特基势垒宽度也比较宽，限制了隧穿的 发生。而空间电荷区的复合电流也只是在开态电流很小的时候才比较显著。综上 所述，在s i c 功率s b d 中，正向偏置时，热电子发射机制在载流子传输过程中起 主导作用。流过肖特基结的电流密度可以用如下式子表示： ，= 么丁2 p 一馋7 切k 向y 7 切一1 】( 2 1 ) 其中彳是理查德森常数，对于4 h s i c ，该常数为1 4 6 c m 。2 k 2 。丁是温度，七是玻尔 茨曼常数，y 是加在二极管上的电压。该式对于正偏反偏都适用。图2 2 示出了室 6 具有超低漏电流的4 h s i cs jj b s 的研究 温下4 h s i cs b d 的正向二y 特性。 电压( 、， 图2 2 室温下4 h s i c s b d 的正向i - v 特性 s b d 正向压降可以表示为肖特基势垒电压( 珞b ) 和漂移区电阻僻山) 、衬底电阻 俾。曲) 、背面欧姆接触电阻俾湖恤曲上的电压降之和 斥= k 游+ ( 墨咖+ 8 袖+ k ) ( 2 2 ) 对于具有低阻衬底、良好阴极欧姆接触的s b d ，正向压降表达式中漂移区电 阻鼬占主要部分，因此，优化漂移区电阻是得到低的正向压降的关键。肖特基二 极管的正向压降也可以表示为： 巧= 半k ( 寿卜+ 如 ( 2 3 ) 其中，斥是正向电流，彳是器件的有效面积，尺唧是二极管的比导通电阻。对于 给定的电流密度，方程的第一部分是负值，而且随着温度升高而降低。方程的第 二部分，也就是势垒高度，在低压应用方面，势垒高度对正向压降起主导作用， 它也是随着温度升高而减小。第三部分是漂移区、衬底、以及欧姆接触电阻对正 向压降的贡献。在高压应用上，对于具有低阻衬底、良好的阴极欧姆接触的s b d ， 漂移区电阻占主要部分，随着温度升高，迁移率退化，漂移区电阻不断增加。因 此，从温度特性考虑，漂移区电阻优化也是降低正向压降的关键。本文以高压大 功率应用为切入点，后面的所有论述也都是关于高压应用的，主要工作正是以降 低漂移区电阻为主要目标，通过采用器件结构参数优化以及引入新的器件理论、 思想和方法，最大程度降低导通电阻。 2 1 2s i cs b d 反向特性 如图2 3 所示，当s b d 反偏时，漂移区承担了几乎所有的压降，最大电场则 出现在肖特基接触上。 第二章s i cs b d 和s i cj b s 工作机理研究 7 肖特基接触 图2 3 反偏时，s b d 上的电场分布 肖特基二极管的漏电流由四部分组成： ( 1 ) 耗尽区的产生电流 ( 2 ) 来自中性区的扩散电流 ( 3 ) 越过肖特基势垒的热电子发射 ( 4 ) 电子穿过势垒形成的隧穿电流 根据热电子发射理论和公式( 2 1 ) ，可得反向偏置时肖特基二极管热电子发射电 流为： ，：一彳r 2 p - ( 口胛 ( 2 4 ) 此时上式中的y 取负值，可知随着反向偏压的变化，按照该公式计算出的反 向漏电流变化不大，然而现实中s b d 的反向漏电流随着反偏电压的增大而显著增 大，增大的这一部分漏电流远远大于耗尽区中随反偏电压增大而增大的产生电流， 可见这一现象不是由产生电流引起的。同时该现象也不是由中性区的扩散电流引 起的，因为在高压情况下，当二极管的漂移区全部耗尽时，该现象让然存在。那 么会不会是由隧穿电流突变引起的呢? 也不是! 因为只有在高压或低温情况下， 隧穿电流才起主要作用。唯一可能的解释就是越过肖特基势垒的热载流子电流随 着反向电压的增大而显著增大。经过研究发现，由于受到镜像力的作用肖特基势 垒高度随着反向偏压的增大而降低，从而导致了泄漏电流的迅速变大。镜像力导 致的势垒降低量可表示为： 吼= 老 ( 2 5 ) 其中风为肖特基结上的最大电场强度，s 为半导体材料的相对介电常数。而风 则跟反向偏压有关，可表示为： = ( 2 6 ) 8 具有超低漏电流的4 h s i cs jm s 的研究 式中圪i 为内建电势，由公式( 2 5 ) 和( 2 6 ) 可知，势垒降低量随着反向偏压的增大而 增大。考虑势垒降低效应后，肖特基二极管的泄漏电流可表示为： j = 一彳丁2 p g ( 一厶) 7 灯( 2 7 ) 图2 4 给出了在考虑势垒降低效应和不考虑该效应时，s i c 肖特基二极管的反 向伏安特性。 电压i 、，i 图2 4 势垒降低效应对s i c 肖特基二极管反向漏电流的影响 从图中可以看出，在考虑势垒降低效应后，随着反向偏压的增大，漏电流也 不断增大，直至击穿，呈现软击穿。而不考虑该效应时，二极管表现为硬击穿， 开始时，不管反向偏压增大了多少，二极管的泄漏电流都几乎不变，只有到了击 穿点时，电流才突然激增( 图中没给出不包含势垒降低效应时二极管的击穿情况) 。 势垒降低效应导致的漏电流增大使得肖特基二极管的静态功耗显著增大，这是普 通肖特基二极管的一个缺陷。 对于s i c 肖特基二极管，因为s i c 材料的临界击穿电场很高，故此类二极管 多用于高压应用，此时在导通电阻几个分量中的漂移区电阻起主要作用，其它的 电阻分量可忽略不计，因此肖特基势垒可以做得更高，以削弱势垒降低效应的影 响，减小反向漏电流。 由于s i c 材料具有很宽的禁带宽度，故s i c 肖特基二极管可以在高温下工作， 图2 5 给出了在不同温度下s i c 肖特基二极管的反向特性。 第二章s i cs b d 和s i c 腰s 工作机理研究 9 薹 妻 盖 电压f 、，i 图2 5 不同温度下s i c 肖特基二极管的反向特性 由图可知，在低压阶段，随着温度的增高，漏电流也稍微增大，这也证明了 在低压时，热载流子发射机制起主要作用。当反向偏压很高时，不同温度下的漏 电流则趋向于同一化，且漏电流随着反向偏压的增高而迅速增大，此时尽管势垒 降低效应也还在起作用，但利用公式( 2 7 ) 计算出来的漏电流，其值明显小于图2 5 中的漏电流的量级，这也表明了在高压阶段，热载流子发射机制已不再起主导作 用。那么唯一的解释就是此时的漏电流主要是隧穿电流，即隧穿机制起主导作用。 在综合考虑热电子发射机制和隧穿机制的影响后，肖特基二极管的反向漏电流可 表示为： 以= 彳丁2e x p ( 一鲁) e x p ( 皇争) e x p ( g 砖) ( 2 8 ) 其中c t 是隧穿系数，当其数值为8 1 0 。1 3 c m 2 v 之时，达到击穿点时漏电流可增大六 个数量级。相比于只考虑势垒降低效应的影响，击穿时隧穿电流引起的漏电流增 大了三个数量级。综上所述，由于受到势垒降低效应和隧穿机制的影响，肖特基 二极管具有非常高的反向漏电流，这一缺陷限制了其在超高压方面的应用。 l o 具有超低漏电流的4 h s i cs jj b s 的研究 2 2s i c 嵋s 特性 为了降低肖特基二极管的反向漏电流，b a l i g a 提出了具有结势垒结构的肖特基 二极管( m s ) 1 3 叫，其基本结构如图2 6 所示。 鹏s 结构将p n 结集成在肖特基结构中，当m 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旷衬底方向扩展。这个耗尽区将肖特基界面屏蔽 于高场之外，避免了势垒降低效应，使反向漏电流大大减小。m 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j b 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 心反向电流会增加。可见，皿s 克服了s b d 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，在高频功率系统中得到了广泛的应用。 剀剀剀划划剀 n 。e p i - l a y 盯 n + s u b s t r a t e 组c t 图2 6j b s 基本结构 为了便于研究，本文从j b s 的基本单元结构入手，如图2 7 所示，m 为阳极肖 特基结区宽度，s 为p + 结区阳极接触宽度，玛为p + 结结深，瞄为外延层厚度。 为了深入研究s i cj b s 的工作机理，本文对其正反向伏安特性进行了模拟同时对 第二章s i cs b d 和s i c j b s 工作机理研究 l l 图2 7 旧s 的模拟单元结构 碳化硅p 玳二极管和s b d 以及s i cj b s 的伏安特性进行了模拟比较，比较了不同 结构和材料对器件耐压、导通电阻和反向漏电流的影响。模拟采用的结构如图2 7 所示，肖特基势垒高度为1 “，外延层掺杂浓度为3 5 1 0 1 6 c i n - 3 ，p + 掺杂浓度为 1 0 1 8 c m 。，结深l p m 。 2 2 1s i cj b s 正向特性 j b s 阳极下面的p n 结在二极管反向偏置时起到了屏蔽肖特基结的作用，但是 当二极管正向偏置时，p n 结也使得j b s 的正向开启电压比s b d 的大。图2 8 给出 了肖特基区宽度的变化对s i cj b s 正向特性的影响，并与p 烈二极管和s b d 作了 比较。如图2 8 所示，当坍足够大时，s i cj b s 的正向开启电压与s b d 的相比没 电压l 、，l 图2 8 肖特基区宽度的变化对s i cm s 正向特性的影响以及与p n 结和s b d 的比较 多大差别，但要比p i n 二极管的小得多，这是因为皿s 结构在正向偏压下，起主 1 2 具有超低漏电流的4 h s cs jj b s 的研究 要作用的是肖特基结，它决定了开启电压，而对于4 h s i c 来说，克服肖特基势垒 所需要的电压比克服p n 结的内建电势所需要的电压要小得多。 从图2 8 中还可以看出，随着册的增大，j b s 的正向电流密度逐渐增大，当历 与s 的比值大到一定程度时，m s 的性质就很接近s b d 了，当册与s 的比值小到 一定程度时，j b s 的性质就很接近于p n 二极管了。 2 2 2s i c 旧s 反向特性 如前文所述，反向偏置情况f ，当反向电压足够大时，j b s 阳极f 的p n 结的 耗尽层在漂移区发生穿通，肖特基结的导电沟道被耗尽，从而被屏蔽，使得旧s 的反向漏电流得到抑制。跟s i cs b d 一样，s i cj b s 的反向漏电流也主要是由热电 子发射和电子隧穿构成。在考虑到势垒降低效应后，热电子发射形成的电流可表 示为： 厶由m 2 e 卅鲁) e x p 蟹) ( 2 9 ) m + sf 【lk l 其中4 吨为势垒降低量，受肖特基结上的最大电场强度的影响。反向偏置时，s i c j b s 隧穿电流的大小也跟肖特基结上的最大电场强度有着密切的关系，该隧穿电流 可用f o w l e r 心j o r d h e h 方程表示如下： = 意，譬e 醑等竽， 其中凰是肖特基结上的电场强度，彳7 和丑r 由参考文献【2 4 】和 2 5 】给出，分别等 于 竹= 岳豪【a e v 胪】 ( 2 1 1 ) 附：要塑兰 v c m ( e v ) 3 尼】 ( 2 1 2 ) j g 厅 式中，壳是普朗克常量，是电子质量，m 是隧穿电子有效质量【2 6 】。从公式( 2 9 ) 和( 2 1 0 ) 可以看出，决定漏电流的关键参数是肖特基接触上的电场强度。 在p n 结耗尽层穿通漂移区之前，肖特基接触上的电场强度与嵋5 成正比【2 7 】， 这一性质跟传统的s i cs b d 相类似。p n 结耗尽层穿通之后，情况有了很大的变化。 对于皿s ，参考文献【3 】的作者认为在p n 结耗尽层穿通漂移区后，肖特基接触上的 第二章s i cs b d 和s i cj b s 工作机理研究 1 3 电场保持不变，因此尽管反向偏压在增大，但j b s 的漏电流却保持不变。但是从 本文图2 9 的仿真结果中可以看出，对于临界击穿电场很高的s i cj b s 来说，该假 设已经不再适用。 名 昱 宅 三 窭 电压i 、，l 图2 9 不同的肖特基区宽度下，肖特基界面电场与电压的关系 图2 9 给出了肖特基接触上的电场强度与肖特基区宽度所的关系，由图可知， 当p n 结耗尽层穿通漂移区后，肖特基接触上的电场仍然与嵋。5 m 7 成正比，并且与 脚有着特殊的函数关系，若所与s 的比值越小，则j b s 就越能有效地减小肖特基 接触上的电场强度。另外一个影响最与k 之间关系的因素是p n 结的纵向结深置， 越深的结深越有助于屏蔽电场对肖特基接触的影响，这三者之间的关系可表示为： m 卢 b = 等) 碟尼 ( 2 1 3 ) a 式中口和卢是修正参数，其取值与掺杂浓度及二极管的有效长度有关。 与s b d 相似，反向偏置时温度的变化也只是在低压阶段对旧s 的反向特性有 些许影响，总体来说影响不大。另外在低压阶段，也还是热载流子发射机制占主 导地位，当反向偏压增大到一定程度后，隧穿机制开始起主要作用。 为了对s i cs b d 、s i c 腰s 和s i cp 酣的反向特性进行对比，本文专门进行了 精确地仿真分析，如图2 1 0 所示，s i cj b s 的漏电流在高压下比s b d 小得多，比 p 烈二极管大，但特性曲线与p i n 二极管相似，击穿电压与p i n 二极管接近，比 s b d 的击穿电压要大得多。这是因为j b s 在反偏情况下，其主要作用的是p n 结， 它决定了击穿电压，而p n 结的击穿特性比肖特基二极管的要好得多。 1 4 具有超低漏电流的4 h s i cs j 旧s 的研究 f e 署 名 三 堪 罾 电压l v ) 图2 1 0 肖特基区宽度变化对s c 旧s 反向特性的影响 从图2 1 0 中还可以看出，随着m 即肖特基区宽度的减小，m s 的击穿特性向 p 斟二极管靠拢，当肖特基区的宽度小到一定程度，j b s 的击穿电压就很接近于 p i n 二极管了，当肖特基区的宽度增大时，鹏s 的击穿特性向s b d 靠拢。 从以上分析可知，m s 结构综合了p i n 结构和肖特基结构的优点，具有很好 的正向特性，而且反向漏电流已经大大小于s b d ，反向特性接近于p 矾二极管， 可以说s i cj b s 是一种大有用处的功率整流器。然而，正如前面所述，与p i n 二 极管相比，s i cj b s 的反向漏电流还是比较大，虽然可以通过减小肖特基区宽度的 大小来减小反向漏电流，但其正向开启电压也因此增大了，故此法可行性不大。 另外，虽然j b s 结构可以有效地减小反向漏电流，但其耐压还是不能大幅度的提 高，且必须以牺牲正向压降为代价，这一切都跟二极管的漂移区有密切关系。 在现有能源不断地枯竭且新能源还未开发之际，节能问题迫在眉睫，新一代 功率系统要求肖特基二极管具有更高的耐压和更低的反向漏电流，显然s i cj b s 并不能很好的满足这两个要求，因此，对具有高耐压和超低漏电流的新型肖特基 二极管的研发势在必行。 2 3 本章小结 本章主要深入研究s i cs b d 和s i c 鹏s 的反向漏电流的形成机理，并给出数 学模型。文中研究发现，由于s i c 材料临界击穿电场很高，故s i cs b d 反向偏置 时可产生很大的隧穿电流。s i c 皿s 虽然能够抑制漏电流，但其肖特基界面的电场 强度并没有像文献【3 】所描述的那样保持不变，而是与碟5 m 7 成正比。皿s 中的肖特 基区宽度册对器件性能有重大影响，朋越小，j b s 的漏电流越小，但它的比导通 电阻也越大，反之亦然。 第三章s i cs js b d 第三章s i cs js b d 3 1 s i c 功率肖特基二极管的与r 。n ，s p 的关系 耐压和导通电阻是功率器件的两个重要技术指标之一，s i c 功率肖特基二极管 也不例外，新型高压s i c 肖特基二极管要具有超高的耐压和超低的导通电阻。 如图2 3 所示，当在s b d 上加上反向电压圪时，承受住圪的是s b d 的漂移 区，即耐压层。漂移区的电场分布如图中右边所示。电场线对y 轴的斜率与漂移 区的掺杂浓度d 成正比，电场线与y 轴所包围的面积为砾，当昧增加时，电场线 保持斜率不变，并向右移动，使得其所包围面积的增加。这时阳极肖特基接触上 的电场变大，当电场增大到临界击穿电场昂时，就会发生雪崩击穿( 这里不考虑 软击穿) ，这时候的外加电压就是击穿电压。对s i c 器件来说，尾的值通常为 3 1 0 6 v c m 上下。很显然，漂移区厚度越大，电场线的斜率越小，且漂移区的 掺杂浓度n 越小，圪越高。 当s b d 正向导通时，电子从阴极流向阳极并流过肖特基接触。单位面积下漂 移区的电阻屯= ( g 以d ) q c m 2 。如果要使得s b d 在导通时电阻低，则掺杂 浓度n 要大，而且漂移区的厚度要小，这却导致了的下降。显然，降低导 通电阻与提高耐压是一个矛盾关系。在大功率器件应用中，单极半导体器件的比 导通电阻疋。可定义为器件的导通电阻与其有效面积的乘积。在漂移区掺杂浓度 d 为均匀的情况下，对于传统s i cs b d 而言，最优条件下如印和的关系为【5 】： 如印= 鑫 ( 3 1 ) 这是一个非常可怕的关系，称为“碳化硅极限”。 根据式( 3 1 ) ，随着器件耐压 的增大，比导通电阻会迅速增大，这是人们所不希望的。因此，人们通常会根据 实际需要在耐压和导通电阻之间进行折衷。 为了突破碳化硅极限，专家学者们可谓是想尽各种办法，提出了各种结构， 其中最为出名的是具有浮空结结构的s i cs b d ( s i cf js b d ) 口8 j ，在文献【2 8 】中，作 者把陈星弼院士发明的浮空结结构引入到s i cs b d 中，经过模拟仿真，得出了该 结构能打破碳化硅极限的结论，但该作者并没有制造出这种器件，直到2 0 0 8 年， 他们才制造出该器件【1 1 1 ，然而因为制造工艺上的不足，经过实验测量，他们制造 出来的器件没能打破碳化硅极限，只能做