4H-SiC pn結二極管工作區的研究

王炯杰陳潔萌

（1.中石化天津液化天然氣有限責任公司，天津 300457；2.天津津濱發展股份有限公司，天津 300457）

4H-SiC pn結二極管工作區的研究

王炯杰1陳潔萌2

（1.中石化天津液化天然氣有限責任公司，天津 300457；2.天津津濱發展股份有限公司，天津 300457）

基于碳化硅材料的優越性能，進行了4H-SiC pn結二極管正向工作區內電學特性和熱學特性的模擬研究。仿真分析表明4H-SiC pn結二極管具有高溫穩定性，在溫度達到600K時仍具有穩定的擴散區，壓降在1.4V～1.9V區間，電流范圍為10-8A～10-3A，理想因子n為1.7～1.8，明顯優于Si二極管。

4H型碳化硅 二極管 擴散區 理想因子

近年來，以Si技術為基礎的材料和器件的性能接近理論極限，因此寬緊帶材料及器件逐漸成為半導體領域研究的重點。例如發光二極管、太陽能電池，幾乎都是基于pn結原理［1］。因此研究SiC二極管，對于進一步研究和制作各種相關器件十分關鍵。

SiC二極管相比Si二極管的耐高壓、耐高溫、損耗低等優越性能，一直是研究者們關注的熱點。近年來一系列對SiC二極管的研究，均是從二極管的高溫特性和摻雜濃度入手，對正向工作區的狀態沒有過深入研究。本文針對4H-SiC pn結二極管不同溫度下的工作區進行仿真，對比Si-pn結二極管，得出可供參考的數據，對選取4H-SiC pn結二極管適用擴散區范圍達到理想工作狀態有重要意義。

1　模型

本文運用仿真軟件建立了4H-SiC pn結二極管模型，為了反應SiC二極管的電學特性和溫度特性，用到以下模型。

1.1遷移率模型

模擬采用了低電場的遷移率模型［2］：

1.2載流子產生-復合模型

應用Shockley和Read以及Hall建立起來的效應理論，即SRH模型［2］：

2　仿真與分析

仿真采用的4H-SiC pn結二極管p+n-n結構。器件襯底為摻雜n+，襯底上生長n型外延，厚度為3.8μm，濃度為1.0×1016cm-3。其上再生長濃度為2.0×1019cm-3的p+型外延。

2.1正向I-V特性

二極管正向工作區由三部分組成：小電流區、少子擴散區、復合電流區。圖1所示，正偏電流在10μA附近，Si二極管的電壓為0.6V，SiC二極管為2.55V。已知理想二極管公式（3），得出理想因子n為1，即二極管工作在少子擴散區。

因此研究正向工作區可以反應出材料之間的Eg關系。可以看出，SiC二極管正向壓降較大，因此SiC的禁帶寬度遠高于Si的禁帶寬度。模擬得出在理想因子n=1時，Si半導體材料的禁帶寬度Eg約為1.12eV，4H-SiC半導體材料的禁帶寬度Eg約為3.2eV。

圖1所示，ID為擴散區電流，IL為大電流區電流。Si二極管在0.3V～0.8V的理想因子接近1，即擴散區；在1V以后逐漸進入復合區。SiC二極管擴散區2.1V～2.6V，此時理想因子最接近于1；在電壓為2.7V，電流為20mA時，SiC二極管的理想因子接近于2，復合作用占主導。

2.2工作區理想因子和電學特性分析

為了反映不同溫度下，4H-SiC pn結二極管正向工作區的變化情況，圖2對300K～600K溫度范圍內的SiC二極管正向特性進行了模擬。T=300K時，理想工作區約在1.7V～2.6V，n為1～1.25。而T=600K時，正偏壓在1.4V～1.8V，n為1.7～1.8。隨著電壓的增加，n逐漸增大至2，電流達到飽和狀態。隨著溫度升高，SiC二極管擴散區的理想因子n在1～2之間呈緩慢上升趨勢，體現了其耐高溫特性。

3　結語

本文對4H-SiC pn結二極管正向工作區的相關參數模擬研究。分析表明，常溫下4H-SiC pn結二極管正向工作區在電流范圍10-14A~10-2A，理想因子n為1。隨溫度升至600K，SiC二極管擴散區n范圍在1~2。這是由于SiC材料的寬緊帶特性，使得電流在高溫下仍因少數載流子擴散引起，仍具有理想因子接近1的擴散區范圍。體現了SiC二極管的耐高溫性。本文對選取4H-SiC pn結二極管適用擴散區范圍達到理想工作狀態有重要意義。

［1］鐘德剛，徐靜平，高俊雄.Pt/6H-SiC肖特基勢壘二極管特性分析［J］.微電子學，2003，33（1）：26-28.

［2］S.賽爾勃赫.半導體器件的分析與模擬［M］.上海：上海科學技術文獻出版社，1986，100-109.