基于SiC 肖特基二极管温度特性的研究

李金钊

（新加坡南洋理工大学电子与电气工程学院，新加坡 639798）

现代电路系统满足对高效能量转换日益增长的需求，为宽带隙半导体器件市场的发展提供了新的机遇。使用碳化硅(SiC)等材料制造的宽带隙功率器件，具有良好的高温电子学性能[1-4]。由于受自身击穿电压的限制，硅基器件的最高工作温度仅为150 ℃，而SiC 器件则能在更高的工作温度下使用。同时因其禁带宽度较大，所以还为制备具有优异高温电子学性能的器件提供了良好的基础[5-9]。虽然SiC肖特基势垒二极管(Schottky Barrier Diode，SBD)器件在高温以及高电流密度下的工作能力得到了显著提升，但其也存在一系列问题。其中最为关键的便是SiC 器件在高温环境下的可靠性问题，这直接决定了器件的稳定性。王帅等人报道称，SiC 功率器件在较高的温度下可能会因为不理想的散热而导致器件失效，这也极大地影响了器件的进一步应用[10]。然而，目前对于SiC 肖特基二极管的高温特性研究仍较少。文中选取了铂(Pt)肖特基金属进行仿真，研究了SiC 肖特基二极管在高温下的器件特征，进而明确其在高温下的工作特性，为深入理解SiC 肖特基二极管的工作机制提供指导。

1 肖特基二极管的原理

1.1 肖特基势垒

肖特基二极管是由肖特基金属与半导体材料相接触而形成的接触势垒，进而构成一个金-半接触界面，使得该界面成为具有整流特性的器件系统[11]。半导体材料存在着载流子浓度梯度变化这一基本特性，其会令电子从半导体一侧向金属一侧不断扩散，导致金-半接触半导体一侧界面的载流子浓度降低，进而不可避免地形成了接触势垒。由于接触势垒的存在，引发了电子和空穴的漂移运动，且当两种运动达到平衡状态时便形成了肖特基势垒。

1.2 肖特基二极管的基本结构

肖特基二极管由热载流子起主导作用，所以也被称作热载流子二极管。该器件的基本组成结构是肖特基势垒所形成肖特基结，其最重要的特征是正向电压降的数值相对较小。然而，肖特基二极管也存在一定的不足，例如漏电流较大以及耐压比偏低等。因此对肖特基二极管的温度特性进行深入研究，对于理解其工作机制至关重要。

2 SiC肖特基二极管仿真物理模型

2.1 器件仿真物理模型架构

求解漂移-扩散模型中所包含的三个方程，即泊松方程(Poisson’s equation)、载流子连续方程(Continuity equations)以及载流子输运方程(Carrier transport equation)，是对半导体器件电学特性进行仿真的重要理论基础[12-14]。

2.1.1 泊松方程

泊松方程通常被用来计算半导体器件中电势的分布情况，该方程的表达式为：

式中，ψ为电势，ε为介电常数，p和n分别为空穴及电子密度，q为电子电量分别为电离施主杂质浓度和电离受主杂质浓度。

2.1.2 载流子连续方程

载流子连续方程被用来求解半导体器件中各处载流子的浓度情况，该方程可表征为：

式中，Jn和Jp分别为电子与空穴电流密度，且电子与空穴的复合概率为R。

2.1.3 载流子输运方程

载流子输运方程被用来计算电子与空穴的电流密度情况，其表达式为：其中，电子和空穴的迁移率分别表示为un与up，二者的准费米势则分别为φn和φp。

2.2 高温特性的仿真物理模型架构

肖特基二极管高温特性仿真主要加载的物理模型包括受半导体中掺杂浓度影响的迁移率模型、有效本征密度模型以及肖克莱-里德-霍尔复合模型。

其中，受半导体中掺杂浓度影响的迁移率模型在仿真SiC 肖特基二极管的高温特性中较为重要。迁移率与载流子的有效质量与受到的散射概率关系密切，且肖特基二极管器件中发生散射的机制与器件的工作温度密切相关[15-16]。

3 仿真实现

仿真中采用的软件ISE-TCAD 是瑞士ISE 公司开发的，该软件包括二维、三维和工艺流程编辑等一系列仿真工具。

在ISE-TCAD 软件的Genesise 子平台中，设置器件的衬底长度为20 μm，厚度为16 μm；外延层长度为20 μm，厚度为3 μm；金属Pt长度均为5 μm，厚度为2 μm；且掺杂采用N 型，衬底掺杂浓度为1×1019cm-3，外延层掺杂浓度为6×1015cm-3。同时，还对在高温下影响器件的物理模型进行选择，加载了如上节所述的三个物理模型。

选择完器件的物理模型后，将电压加至半导体的两端，之后编辑基本操作命令。输入对应的器件参数，包括温度、电压等，并进行器件的仿真运行，从而提取仿真数据和器件的电学特性曲线。

为了得到Pt/SiC 肖特基二极管在高温下的器件特性，对其伏安特性进行了仿真，并在此次仿真中对工作状态下的电极温度设置了不同参数（25～200 ℃），进而观察器件的I-V特性变化情况[17]。

4 数据结果分析

4.1 不同温度下的伏安特性

4.1.1 正向伏安特性

Pt/SiC 肖特基二极管在不同温度下的正向伏安特性曲线，如图1 所示。室温（25 ℃）为器件最普遍的工作环境状态，所以该温度下器件的I-V特性极为重要。图1 中显示了器件在室温下的正向I-V特性。由图中可知，Pt/SiC 肖特基二极管器件的开启电压为0.2 V。随着偏压的不断增加，正向电流的水平也显著增大。当外加偏压处于较小值时（0～0.2 V），电流水平迅速增大，此时器件处于小注入状态；而当电压范围处于较大的情况下（0.2～2 V），器件的电流近似为另一条斜率较小的折线，此时器件处于大注入状态。

图1 器件的正向伏安特性曲线

在正向偏压下，电流随电压的变化是明显不同的。这是由于在大注入状态下，多数载流子的浓度远高于平衡时的载流子浓度，由此不可避免地导致势垒区的电场发生了改变，这与实际二极管器件的I-V特性相符合。

当电压处于0～0.2 V 范围内时，随着温度的增加，器件电流的变化也较大，并与器件在常温下的IV特性类似，此时器件处于未开启的工作状态；而随着偏压的不断增大(0.2～2 V)，处于较高温度水平下伏安特性曲线的变化趋势更为平缓，且与器件常温下的I-V特性类似。

由此可见，随着温度的增大器件正向的工作电流水平降低。

二极管的正向电流可以被描述为：

其中，I0为反向饱和电流，η为理想因子，k为玻尔兹曼常数，T为热力学温度。该公式反映的器件I-V特性的变化特征与仿真结果一致，从而证明了仿真结果的可靠性。

4.1.2 反向伏安特性

图2 显示了器件在不同温度下的反向I-V特性。从图中可以看出，反向漏电流的水平显著低于正向电流约两个数量级以上。这表明，Pt/SiC 肖特基二极管在常温下具有良好的开关比。

图2 器件的反向伏安特性曲线

当器件温度处于50～200 ℃范围内时，反向电流趋于饱和状态。进而表明，由热电子发射产生的电流构成了高温下Pt/SiC肖特基二极管的主导电流。

4.2 不同温度下的器件性能分析

4.2.1 开启电压

在肖特基二极管正负极之间施加额外电压，当该电压大于一定的电压值时，二极管电流便开始迅速增大，此时二极管开始导通，这个电压也称作开启电压。确定开启电压在不同温度下的具体数值，对评价二极管高温下的性能也较为关键。

图3 所示为在不同温度下Pt/SiC 肖特基二极管的开启电压变化曲线。仿真结果表明，在外加偏压较小时，温度越高则开启电压越小。这是由于随着温度的升高，载流子输运会变得更加剧烈，也正因如此便会导致开启电压的降低。

图3 不同温度下Pt/SiC SBD的开启电压

4.2.2 导通电阻

导通电阻是指肖特基二极管导通后半导体与金属两端的电压及导通电流之比。导通电阻也是评价肖特基二极管性能的重要参数之一。

不同温度下Pt/SiC 肖特基二极管的导通电阻，如图4 所示。可以看出，随着温度的升高，肖特基二极管的导通电阻也在逐渐增大。这是由于温度的不断增加使得电子有了更多的能量，其可以更轻松地越过势垒层，从而不可避免地导致该导通电阻的阻值随着温度的增大而逐渐升高。

图4 Pt/SiC SBD的导通电阻变化曲线

4.2.3 电子迁移率

在一定时间内，电子所经过的路径是多次散射后的净长度。随着电压的升高，散射发生的概率也会更加频繁；而施加电压的时间越长，散射发生的频率也就越大，由于其在封闭空间内散射，故其散射后的路径净长度将减小。因此，电子运动的净路径与电压和时间成反比。在固体电子学中，定义散射事件频率的物理量被称作电子迁移率。

不同温度下，Pt/SiC 肖特基二极管的电子迁移率如图5 所示。随着温度的不断升高，电子发生散射现象的概率迅速升高，这表明温度对迁移率有着较大的影响。因此，在肖特基二极管中，电子迁移率随着环境温度的不断升高而逐渐降低。且当环境温度上升时，即使忽略由于器件自身热效应所产生的热量，所提器件的正向特性也会出现极为明显的退化，从而对肖特基二极管的可靠性造成较大影响。

图5 不同温度下Pt/SiC SBD的电子迁移率

5 结束语

文中采用仿真测试的手段，对Pt/SiC 肖特基二极管器件在不同环境温度下的特性进行研究。结果表明，在正偏的情况下随着温度的提升，文中所述器件的电流水平逐渐降低；而器件在反偏时，反向电流的水平会随着温度的升高而急剧增大，进而令热电子发射电流占据主导地位。同时，该研究结果还证明了，高温下SiC 基器件的性能要明显优于硅基器件。但随着环境温度的不断升高，Pt/SiC 肖特基二极管器件的开启电压逐渐降低，而导通电阻则会剧增。综合以上因素可以得出结论，SiC 肖特基二极管在高温下的正向工作特性会出现明显退化，且该器件在高温环境下难以表现出理想的电学特性。此外，该研究为理解碳化硅肖特基二极管器件的高温工作机制提供了理论参考。