4H-SiC肖特基二极管载流子输运的温度效应

童武林，孙玉俊，刘益宏，赵高杰，陈之战

(上海师范大学数理学院，上海200234)

4H-SiC肖特基二极管载流子输运的温度效应

童武林，孙玉俊，刘益宏，赵高杰，陈之战

(上海师范大学数理学院，上海200234)

摘要:以Cree公司生产的碳化硅肖特基二极管为研究对象，对其进行I-V测试．通过对实验数据的理论模拟，研究了碳化硅肖特基二极管的载流子输运机理及温度效应．研究结果表明:温度升高，碳化硅肖特基二极管的肖特基势垒高度降低，漏电流急剧增加．正向导通时符合热电子发射机理，镜像力和隧穿效应共同作用使得反向偏压下的漏电流增加并能较好地和实验值相一致．

关键词:碳化肖特基二极管;热电子发射;镜像力;隧穿效应;温度

0引言

碳化硅(SiC)材料的宽禁带、高热导率、高饱和电子漂移速度、高击穿电场等特性决定了其在高温、大功率领域的巨大应用潜力，对国民经济和国防建设将起到重要的推动作用．SiC存在很多多型结构，其中最常见的是具有立方闪锌矿结构的3C-SiC(又称(β-SiC)和六方纤锌矿结构的4H-SiC和6H-SiC(又称α-SiC)[1]．4H-SiC耐受温度高达1580 K，器件具有优良的高温工作特性，减少或去除设备中的冷却散热系统，使系统小型化．目前，美国、欧盟、日本等发达国家正竞相投入巨资对SiC材料和器件进行研究．在SiC功率器件中，肖特基二极管(SBD)因其优异的性能而备受关注．美国国防部从20世纪90年代就开始支持SiC功率器件的研究，1992年就研制出阻断电压为400 V的SiC SBD．SiC SBD于21世纪初成为首例市场化的SiC电力电子器件．

由于SBD在导通过程中没有额外载流子的注入和储存，因而反向恢复电流小、关断过程很快、开关损耗小．由于所有金属与硅(Si)的功函数差都不很大，因此传统的Si SBD的肖特基势垒较低，反向漏电流偏大，阻断电压较低，只能用于一二百伏的低电压场合，且工作温度不能超过423 K．SiC SBD弥补了Si基SBD的不足，许多金属(如镍、金、钯、钛、钴、钼等)都可以与SiC形成势垒高度超过1 eV的肖特基接触[2-3]，因此是高压快速与低功率损耗、耐高温相结合的理想器件．由于器件本身在工作时会产生热量，导致器件的温度变化，温度对器件中载流子的运动与分布会产生影响，从而影响器件的性能，因此对于SiC SBD的输运机理及温度效应的研究十分必要[4]．

1实验

本实验研究所用器件是Cree公司出售的SiC SBD，产品型号为C3D08065I，基本参数如下:反向重复峰值电压为650 V，398 K下的连续正向电流为8 A，室温下的最大耗散功率约为48W[5]．

采用4200SCS半导体参数分析仪，通过引脚测量SiC SBD的I-V曲线，测量电压范围为-200～1 V(反向200 V为最大量程)，测量温度为300、350、400、450 K(其中反向测量到500 K)．通过查阅相关文献资料，获得SiC SBD的基本参数，根据半导体理论，对测试数据进行拟合分析，研究导通机理及温度效应．

2结果与讨论

图1是300、350、400、450 K温度下测试得到的正向IF-VF曲线．当所加正向电压较大时，根据二极管的折线模型，该段I-V特性曲线可以用线性进行拟合，通过与VF轴的截距可得到正向导通电压．图1插图是正向导通电压与温度的关系，当温度升高时，正向导通电压呈线性下降趋势．由拟合数据可知，温度每升高1K，正向导通电压就降低0．00181 V，300 K时的正向导通电压为0．80 V，450 K时的正向导通电压下降到0．53V．通过温度对导通电压的影响关系曲线有利于设置正常的工作电压范围．

图1不同温度下测量的正向IF-VF曲线

由于SiC为宽禁带半导体材料，根据半导体理论，SiC SBD在较小的正偏压下可以采用热电子发射理论描述器件的I-V特性．当复合电流不能忽略时，加正向偏压后，正向导通电流密度(JF)表示为:

其中，A*为有效理查逊常量(4H-SiC为146 A/cm2/K2)[6]，k0为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，q为电子电荷量，φns为肖特基势垒高度，n为理想因子．完全满足热电子发射理论时的理想因子n=1，当存在产生—复合电流分量时n大于1．实际情况下，n越接近1，说明电流以热电子发射为主．若正向偏压VF大于3k0T/q(室温时为7．76×10-2V)，且忽略串联电阻的压降时，(1)式表示为[7]

测量一定温度下ln JF-VF的关系曲线，由截距ln Js值，根据下式可求出肖特基势垒高度φns:

通过斜率，根据下式可提取出理想因子n:

必须指出的是，通过上述方法提取理想因子n和肖特基势垒高度φns有一个优点，即它与肖特基有效电学接触面积无关．

根据图1测试的IF-VF数据，做出不同温度下的ln JF-VF曲线，利用公式(3)和(4)，可求出不同温度下的理想因子n和势垒高度φns，它们随温度的变化规律如图2所示．在室温时，n最小为1．12，350 K时n达到最大为1．19，400 K和450 K时的n值为1．16和1．17．在测量温度范围内，SBD的理想因子都大于1，但温度的变化对n值影响不大，说明正向导通时以热电子发射机理为主．随着温度升高，载流子浓度升高，肖特基势垒高度明显降低，从室温下的1．26 eV降低到450 K时的0．89 eV．

图2理想因子n和肖特基势垒高度φns随温度的变化情况

外加反向电压时，当测试温度在300、350和400 K时，漏电流很小，小于测试系统的分辨极限，因此无法获得这3种温度下漏电流的精确大小，因此当温度小于400 K时，器件的漏电流应小于10-9A量级．450和500 K时的IR-VR曲线如图3所示，黑线代表实测的IR-VR曲线．温度对漏电流的影响十分明显，450 K时漏电流在10-6～10-7A量级，而在500 K时，漏电流则增大到10-5～10-6A量级．如果SiC SBD完全遵循热电子发射机理，反向电流为恒定值，显然与随着负偏压的增加漏电流逐渐增大的实验事实相悖．

当考虑镜像力时，势垒高度φns受到镜像力的影响并不为恒定值，镜像力增加，势垒高度降低．当SBD加较大的反向偏压时，镜像力导致的势垒高度降低(Δφ)显著[7]，

其中Emax为界面处最大电场，表示为:

其中εs为SiC的介电系数，ND为n型半导体的掺杂浓度，VD为自建电势，VR为外加反向偏压．当考虑镜像力时，反向电流密度表示为[7]:

根据公式(5)和(6)代入相应参数可以求出不同VR下对应的势垒高度变化量Δφ，将Δφ带入公式(7)可以得到考虑镜像力后的热电子发射的修正，作出不同温度下拟合曲线(图3中用短虚线表示)．

可以看出，考虑镜像力后拟合值和实测值的拟合度较高，表明反向偏压时镜像力对反向电流产生较大影响，肖特基势垒降低导致漏电流随反向偏压的增加而迅速增大．但是当反向偏压大于150 V后，实验测试得到的漏电流比仅考虑镜像力拟合得到的漏电流要大得多．

为了解释150 V后漏电流迅速增大的原因，有必要考虑隧穿效应对漏电流的影响[8]．隧穿效应的热电子场发射模型导致势垒降低效应与金属—半导体界面处电场的平方成正比．结合热电子发射模型，考虑镜像力和隧穿效应后的漏电流密度表示为:

图3变温下的IR-VR曲线

其中CT为隧穿系数(4×10-13cm2·V-2)．由式(8)得到拟合曲线(图3中用长虚线表示)．从图3中看到，考虑镜像力和隧穿效应时测量值和理论拟合符合得很好．因此除了肖特基势垒降低导致的漏电流增大，考虑隧穿效应后在反向电压大于150 V时与实验观测得到的结果一致，即漏电流急剧增大与隧穿效应有关．由于反向高压和高温都会使漏电流剧增，故必须考虑到漏电流随温度升高而增大的情况，保证器件的反向功耗保持在通态功耗下，确保器件能够稳定工作．

3结论

通过对碳化硅肖特基二极管的载流子输运特性的变温测量和数据拟合分析，得出如下的结论:

(1)正向导通时载流子输运以热电子发射为主．随着器件工作温度升高，导通电压呈线性下降趋势，肖特基势垒高度降低明显．

(2)反向漏电流强烈依赖器件温度，随着器件温度的升高，漏电流急剧增大．在温度一定时，反向偏压较小时，镜像力对反向电流有较大影响，反向偏压较大时，隧穿效应引起的漏电流增大是主要原因．

参考文献:

[1]NENNEWITZO，SPIESS L，BRETERNITZ V．Ohmic contacts to p-type 6H-silicon carbide[J]．Appl Surf Sci，1995，91(1):347-351．

[2]YOSHIDA S，SASAKIK，SAKMMA E，et al．Schottky barrier diodes on 3C-SiC[J]．Appl Phys Lett，1985，46:766-768．

[3]NAKAMURA T，MIYANAGIT，KAMATA I，et al．A 4．15 kV 9．07 mΩ·cm 4H-SiC Schottky-barrier diode using Mo contact annealed at high temperature[J]．IEEE Electron Dev Lett，2005，26(2):99-101．

[4]ACHARYA Y B．Effect of temperature dependence of band gap and device constant on I-V characteristics of junction diode[J]．Solid-state Electronics，2001，45(7):1115-1119．

[5]TONGW L，SUN Y J．C3D08065ISilicon Carbide Schottky Diode Z-RecTMRectifier[EB/OL]．[2014-09-23]，http:// www．cree．com/power．

[6]ITOH A，KIMOTO T，MATSUNAMIH．Efficient power Schottky rectifiers of 4H-SiC[C]//Proceedings of 1995 Interna-

tional Symposium on Power Semiconductor Devices&Ics Yokohama:the Institute of Electrical Engineers of Japan，1995，101-106．

[7]SZE SM．Physics of Semiconductor Devices[M]．2nd ed，New York:Wiley，1981．

[8]HATAKEYAMA T，SHINOHE T．Reverse characteristics of a 4H-SiC Schottky barrier diode[C]．Pfaflicon，Switzerland: Trans Tech Publication Inc，2002，389-393:1169-1172．

(责任编辑:顾浩然，包震宇)

Effect of tem perature on the carrier transport property of 4H-SiC based Schottky barrier diode

TONGWulin，SUN Yujun，LIU Yihong，ZHAO Gaojie，CHEN Zhizhan

(College of Mathematics and Sciences，Shanghai Normal University，Shanghai200234，China)

Abstract:In this paper，the current-voltage(I-V) measurement under different temperatures was carried out on the 4H-SiC Schottky barrier diode(SBD) purchased from Cree Inc．The carrier transportmechanism and the temperature effect of SBD were investigated through the theoretical simulation based on the experimental data．The Schottky barrier height is decreased and leakage current is increased sharply for SBD when the temperatures are increased．The SBD forward bias obeys the hot electron emission mechanism．Taking the image force correction and tunneling effect into consideration，the high leakage current under reverse bias can be reasonably explained and is good agreementwith the experiment results．

Key words:silicon carbide Schottky diode; thermionic emission; image force; tunneling effect; temperature

中图分类号:TN 303

文献标志码:A

文章编号:1000-5137(2015)04-0430-05

通信作者:陈之战，中国上海市徐汇区桂林路100号，上海师范大学数理学院，邮编:200234;E-mail:zzchen@ shnu．edu．cn

基金项目:973计划预研专项“超快大功率碳化硅光导开关关键科学问题研究”(2012CB326402);上海市科委重点支持项目“碳化硅高温压力传感器设计及工艺开发”(13520502700)

收稿日期:2015-06-23