SiC肖特基二极管调查报告解析

SiC结势垒肖特基二极管总结报告

何东（B140900200）肖凡（B140900208）于佳琪（B140900204）

一、SiC JBS器件的发展现状

1. 宽禁带半导体材料的优势

当前，随着微电子器件向低功耗、高耐压、高可靠性方向的发展，对半导体材料的要求也逐渐提高。微电子器件越来越多的应用在高温、高辐照、高频和大功率等特殊环境。为了满足微电子器件在耐高温和抗辐照等领域的应用，需要研发新的半导体材料，从而最大限度地提高微电子器件性能。传统的硅器件和砷化镓器件限制了装置和系统性能的提高。以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体材料，由于材料本身的宽禁带宽度和高临界击穿电场等优点成为制作耐高温、高功率和抗辐照等电子器件的理想的半导体材料[1]。目前研究的SiC基器件有高温和功率SiC器件、微波和高频SiC器件、SiC光电器件、抗辐照器件等[2]。

SiC材料的临界击穿场强是Si材料的10倍，SiC的禁带宽度和热导率均是Si材料的3倍，本征载流子的浓度也只有硅材料的十分之一。这些优异的物理特性使SiC材料制成的半导体功率器件在高频、高温、大功率及高辐照等环境下有很高的优势。SiC在不同的环境下能形成不同的晶体结构，现在常用的有3C-SiC、

4H-SiC、6H-SiC三种晶体结构。4H-SiC材料以其较高的禁带宽度和空穴迁移率，较低的本征载流子浓度成为制造半导体器件的主流材料[3-4]。

具备以上优异的物理特性的4H-SiC材料主要有以下应用：

（1）利用其优异的热导率特性，在器件封装及温度方面的要求低，4H-SiC 器件适合应用在卫星、航空和航天探测、石油以及地热钻井探测、汽车发动机等需要耐高温的环境中。

（2）利用其宽禁带宽度和高化学稳定性，在高频和抗辐照等领域，4H-SiC 器件具有不可替代的作用，因为它可以抵御强大的射线辐射，在核战或强电磁干扰中的耐受能力远远超过硅基器件。

（3）利用其高的饱和速度和临界击穿场强，4H-SiC是1～10 GHz范围的大功率微波放大器的理想应用材料，高频和微波4H-SiC器件在军用雷达、通信和广

播电视等领域具有很好的应用前景。

（4）由于SiC晶体与GaN晶体的热膨胀系数和晶格相匹配，以及SiC材料具有优良的热导率，4H-SiC材料也成为制造发光二级管和激光二极管的理想衬底材料，成为制造光电器件的关键基础材料之一。

2. 4H-SiC JBS器件的研究现状

碳化硅二极管是功率半导体器件的重要组成部分，目前研究的重点是PiN二极管，肖特基势垒二极管（SBD，schottky barrier diode）和结势垒肖特基二极管（JBS，junction barrier schottky diode）。肖特基二极管的主要优势是开关速度快，反向恢复电流几乎为零，其性能不受正向电流与温度的影响。加反向偏置电压时，由于隧道效应导致的反向漏电流增大使肖特基二极管的阻断电压受到限制，这很大程度上制约了其在高压中的应用。相比于肖特基二极管，PiN二极管的优点在于击穿电压高、反向漏电流小，因而在高压低频功率开关中得到广泛应用。在高工作频率下，PiN二极管的长的反向恢复时间导致反向恢复时能量损耗比较大，限制了其开关速度。结势垒控制肖特基二极管是在普通的肖特基二极管的漂移区集成多个网状的PN结。在正向偏置时，因为肖特基势垒低，肖特基二极管首先进入导通状态，起主要作用，随着正向电压的增大，PN结导通，有源区的少数载流子注入到漂移区，由于少子注入产生的电导调制效应对器件的导通压降进一步改善；反向偏置时，PN结在高反压下耗尽区向沟道区扩展，当反向电压达到某个数值时，耗尽层交叠并向N-外延层延伸，此时肖特基势垒被屏蔽在高电场之外，抑制了肖特基势垒的降低，有效改善了反向漏电流的增大。结势垒肖特基二极管结合了肖特基二极管优良的开关特性和PiN二极管的高阻断特性，成为制作大电流、高反压、开关速度快、抗浪涌电流强的功率整流管[5-6]。所以，SiC 材料以其优良的性能与结势垒控制肖特基二极管的优势相结合是当今功率开关二极管的发展趋势。

SiC JBS在高压、高温、高速等领域表现出来的巨大潜力引起了广泛的关注，近年来科研工作者对SiC JBS或MPS器件进行了大量的研究。不同系列的SBD 和JBS产品也相继推出。

在器件的电学特性和工艺制作方面，Katsunori Asano等人研制了4H-SiC 作为衬底材料的JBS器件，通过改善有源区的面积提高了器件的反向耐压能力和减

小了器件的反向漏电流，器件的最高耐压可达3.9 kV，特征导通电阻为

40.2mΩcm2，反向恢复时间9.7ns。2000年，K. Tone等人采用MJTE的结终端技术制作的MPS器件，在常温至250℃条件下对MPS器件进行测试，结果表明其具有类似于SBD的正向导通特性和类似于PiN二极管的反向漏电流特性。2002年，J.H.Zhao等人成功研制了1500V/9A和1000V/50A的4H-SiC JBS器件。2003年，Zhiyun Luo等人首次研究了质子辐照对高压4H-SiC JBS器件静态和动态性能的

影响，通过和Si PiN二极管进行对比，结果表明，在高浓度质子辐照下，4H-SiC JBS器件的抗辐照能力比Si PiN二极管强。

2005年，Lin Zhu等人研制的一种新型的具有横向沟道的4H-SiC LC-JBS器件，器件耐压超过1 kV，具有较高的开关速度和类似于PiN二极管的反向漏电流，正向导通压降低于1.8V，开关电流比达到109以上，结电容也比普通JBS 结构减小了50%。2006年Lin Zhu等人在退火时在表面淀积一层AlN，能有效降低高温导致的表面缺陷，有效降低了JBS器件的导通压降和反向漏电流，特征导通电阻为40.2mΩcm2。2008年Lin Zhu等人又开发了一个新的分析高压下4H-SiC JBS整流特性的模型，采用Fowler-Nordheim隧穿方程来精确地计算高压下JBS器件的反向漏电流。这种模式已经得到了验证，通过比较仿真和实验结果，具有很好的一致性[7-9]。

2008年，Brett A. Hull等人研制的面积为0.88 cm2的4H-SiC JBS器件，室温下，正向电流为10A时，导通压降低于3.5V，在反向偏压为10 kV时，反向漏电流低于10µA。同年，P.Brosselard等人对1.2 kV的Si PiN 二极管、4H-SiC SBD 器件和4H-SiC JBS器件进行了温度特性的研究与比较。Si PiN 二极管在温度为200℃时由于反向电流的增大而失效；室温下4H-SiC SBD器件的正向特性较好，在300℃的温度下4H-SiC JBS器件的正向特性较好；4H-SiC JBS器件的反向漏电流在三者中最小；随着温度的变化，4H-SiC SBD器件的反向恢复特性稳定性较好，4H-SiC JBS器件的反向恢复时间有一定的浮动变化。由此可知对器件参数的设定取决于系统的需求，比如操作温度，额定电流等[10]。

2009年，Song Qing-Wen等人提出了一种新的分析MPS反向特性的模型，通过求解圆柱形泊松方程和利用WKB近似的方法，在肖特基接触区建立了新的电场分布模型和反向电流密度模型。利用模型计算出的结果和通过ISE仿真出的结