4H-SiC基MPS二極管迅回效應(yīng)分析

保玉璠, 汪再興, 彭華溢, 李 堯

(蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070)

碳化硅(SiC)材料被稱為第三代半導(dǎo)體材料,具有寬帶隙、高臨界電場和良好的熱導(dǎo)率等特性,故被廣泛應(yīng)用于大功率器件的生產(chǎn)中[1]。與Si材料相比,SiC在飽和電子遷移率、電流傳輸能力和熱穩(wěn)定性方面的表現(xiàn)更優(yōu)[2-3]。其中4H-SiC的禁帶寬度為3.26 eV,而硅單晶僅有1.12 eV。禁帶寬度越寬,本征載流子的濃度越低,本征溫度就越高,器件便能在更高的溫度條件下工作[4-6]。同時(shí)4H-SiC的臨界擊穿電場為3 MV/cm,而Si僅為0.3 MV/cm,故前者適合制作大功率的微波器件和高壓二極管等。此特性不僅有助于提高碳化硅器件排列的密集性,還能夠令封裝密度進(jìn)一步增大。此外,4H-SiC材料還具有更大的飽和電子遷移率,相比于Si材料半導(dǎo)體器件,其在電流傳輸方面的能力更強(qiáng)[7-8]。

Merged PIN/Schottky(MPS)二極管是一種雙極器件,該器件將傳統(tǒng)的PIN二極管嵌入肖特基二極管中,且由肖特基和PIN結(jié)構(gòu)并聯(lián)組成。MPS二極管結(jié)合了肖特基部分的低導(dǎo)通壓降特性與PIN部分的高正向電流密度特性,使得器件在不同正向偏置電壓條件下表現(xiàn)出相應(yīng)的特質(zhì)。抗浪涌電流能力對功率器件而言至關(guān)重要,表明了二極管在正向偏壓下所能處理的最大電流。因此,該能力成為電源設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù),也是MPS二極管可靠性的重要影響因素。

本文以4H-SiC為襯底建立MPS二極管基本結(jié)構(gòu)模型,通過模擬仿真不同參數(shù)對MPS二極管迅回效應(yīng)的影響,從而得出相應(yīng)的變化趨勢,以優(yōu)化器件正向特性并抑制迅回效應(yīng)。同時(shí)通過研究器件內(nèi)部的載流子分布,探究各參數(shù)對迅回效應(yīng)的影響機(jī)理。

1 MPS二極管工作原理與迅回效應(yīng)

1.1 工作原理

SiC MPS二極管結(jié)構(gòu)如圖1所示,其基本參數(shù)設(shè)置如表1所示。MPS二極管的結(jié)構(gòu)中包含了肖特基以及PIN二極管的結(jié)構(gòu),工作原理也基于這兩種器件的特性[9-11]。在SiC MPS二極管的正向?qū)ㄟ^程中,器件的工作模式可以分為單極與雙極模式兩部分。

表1 MPS二極管基本參數(shù)設(shè)置Tab.1 Basic parameter settings of MPS diode

圖1 MPS二極管結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of MPS diode

隨著正向偏置電壓的增大,由于肖特基勢壘相比PN結(jié)勢壘低,故其首先進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài),而溝道區(qū)和漂移區(qū)的少數(shù)載流子濃度梯度不為0,且漂移區(qū)的電子通過溝道區(qū)進(jìn)入金屬形成電流[12-14]。此時(shí),電流主要來自肖特基區(qū)的熱電子發(fā)射,而器件工作在單極模式。繼續(xù)增大正向偏置電壓,使得P+區(qū)注入到漂移區(qū)的少數(shù)載流子濃度不斷提高。當(dāng)注入濃度超過漂移區(qū)摻雜濃度時(shí),便會(huì)產(chǎn)生大注入效應(yīng)[15]。隨著注入空穴濃度的增大,電中性要求電子與空穴的濃度相等,這會(huì)導(dǎo)致漂移區(qū)內(nèi)發(fā)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng),從而令器件具有高正向電流密度和低導(dǎo)通壓降,即器件工作在雙極模式。

1.2 迅回效應(yīng)

MPS二極管迅回效應(yīng)出現(xiàn)在由單極向雙極模式過渡的過程中。開啟雙極工作模式時(shí)會(huì)出現(xiàn)電壓減小、電流增大的現(xiàn)象,由此產(chǎn)生負(fù)阻效應(yīng)。而電壓減小至某一值后又繼續(xù)增大,且整個(gè)過程的電流持續(xù)增加,這種現(xiàn)象被稱為迅回效應(yīng),如圖2所示。

圖2 MPS二極管正向I-V特性曲線Fig.2 Forward I-V characteristic curve of MPS diode

由圖2可知,A點(diǎn)之前器件整體處于關(guān)斷狀態(tài);A點(diǎn)與B點(diǎn)之間,肖特基接觸部分開始導(dǎo)通,器件處于單極模式。此時(shí)偏壓繼續(xù)增大,并在B點(diǎn)處發(fā)生迅回效應(yīng),且導(dǎo)通壓降減小,正向電流持續(xù)增加。而B點(diǎn)之后器件進(jìn)入雙極模式,PIN部分導(dǎo)通,正向電流迅速增加。當(dāng)迅回效應(yīng)發(fā)生時(shí),需要額外的正向電壓來開啟雙極工作模式,電壓最大值定義為轉(zhuǎn)折電壓Vturn,對應(yīng)圖中B點(diǎn),負(fù)阻效應(yīng)消失時(shí)對應(yīng)的電壓定義為折回電壓Vback。若Vturn過高,在進(jìn)入浪涌電流模式之前引發(fā)過熱,導(dǎo)致器件被破壞。

已有研究表明,一定范圍內(nèi)溫度升高使MPS二極管的開啟電壓和轉(zhuǎn)折電壓均減小,加速器件內(nèi)部載流子的輸運(yùn),促進(jìn)MPS二極管工作模式平滑過渡,較好地抑制了迅回效應(yīng)。當(dāng)溫度過高時(shí),器件電流密度達(dá)到臨界電流密度,溫度和壓降會(huì)急劇增加,導(dǎo)致器件損壞。

2 MPS二極管迅回效應(yīng)影響因素

2.1 P+區(qū)摻雜濃度對迅回效應(yīng)的影響

MPS二極管作為一種雙極性器件,P+區(qū)的設(shè)計(jì)會(huì)直接影響器件雙極工作模式的開啟。在高正向偏置電壓下,P+區(qū)向漂移區(qū)注入空穴,少數(shù)載流子注入到具有高電阻率的漂移區(qū)會(huì)產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng),并導(dǎo)致正向壓降降低。而改變P+區(qū)摻雜濃度會(huì)影響漂移區(qū)內(nèi)注入的空穴濃度,使得大注入效應(yīng)所產(chǎn)生的正向偏置電壓不同,進(jìn)而影響到器件工作模式的切換。通過仿真模擬研究P+區(qū)摻雜濃度對迅回效應(yīng)的影響,如圖3所示。

圖3 MPS二極管不同P+區(qū)摻雜濃度正向I-V特性曲線Fig.3 Forward I-V characteristic curves of MPS diodes with different doping concentrations in P+ region

當(dāng)P+區(qū)的摻雜濃度Na=1×1017cm-3時(shí),所對應(yīng)的轉(zhuǎn)折電壓Vturn為6.44 V;隨著摻雜濃度的增大,當(dāng)Na=1×1021cm-3時(shí)轉(zhuǎn)折電壓Vturn下降至4.89 V,這是因?yàn)榇藭r(shí)器件較早開啟雙極模式,導(dǎo)致迅回效應(yīng)減弱。

P+區(qū)摻雜濃度會(huì)影響注入空穴的濃度,高摻雜濃度的P+區(qū)會(huì)加快漂移區(qū)內(nèi)產(chǎn)生大注入效應(yīng),并較早發(fā)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。該效應(yīng)可使漂移區(qū)的電阻率減小,器件導(dǎo)通壓降開始降低,對應(yīng)的迅回效應(yīng)正向偏置電壓到達(dá)轉(zhuǎn)折電壓Vturn。

當(dāng)正向偏置處于折回電壓Vback時(shí),表明漂移區(qū)內(nèi)電導(dǎo)率已停止大幅增加,此時(shí)器件完全導(dǎo)通,并主要呈現(xiàn)出PN結(jié)整流特性。P+區(qū)摻雜濃度的增大加速了器件從單極向雙極模式的整個(gè)過渡過程,有效抑制了迅回效應(yīng)的產(chǎn)生。

圖4為MPS二極管在發(fā)生迅回效應(yīng)過程中不同正向偏置電壓下,漂移區(qū)內(nèi)縱向空穴濃度在不同P+區(qū)摻雜濃度下的分布。圖4a中,器件處于單極工作模式,在漂移區(qū)內(nèi)由P+區(qū)注入的空穴濃度保持穩(wěn)定。P+區(qū)與N+襯底區(qū)被稱為末端區(qū)域,器件工作在大注入狀態(tài)時(shí),在該區(qū)域會(huì)發(fā)生載流子復(fù)合效應(yīng),曲線在靠近N+區(qū)時(shí)向下彎沉,空穴濃度減小。

圖4 不同P+區(qū)摻雜濃度下P+區(qū)中垂線方向上的少子濃度分布Fig.4 Minority carrier concentration distribution in midperpendicular direction of P+ region at different doping concentrations

當(dāng)正向偏置電壓變化至Vback時(shí),器件開啟雙極工作模式,漂移區(qū)內(nèi)部空穴濃度明顯增大。由于電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的產(chǎn)生使得正向電流密度迅速增加,漂移區(qū)內(nèi)少數(shù)載流子濃度提升至1×1016cm-3,如圖4b所示。較高的P+區(qū)摻雜濃度可以保證漂移區(qū)內(nèi)的空穴濃度在兩種工作模式下維持較高水平,有利于削弱迅回效應(yīng)并增大雙極模式下的正向電流密度。

圖5為不同偏置電壓下,靠近器件表面P+結(jié)深處水平方向上的空穴濃度。圖5a中,器件正向?qū)ú糠譃樾ぬ鼗佑|,MPS二極管的電流主要由肖特基結(jié)的熱電子發(fā)射效應(yīng)產(chǎn)生,且此處的空穴濃度維持在較低水平。由于偏低的P+區(qū)摻雜濃度使雙極模式開啟需要更大的正向偏置電壓,這也使觸發(fā)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)變得困難,迅回效應(yīng)也顯著加劇。圖5b中肖特基接觸下方空穴的濃度明顯增大,MPS二極管的P+區(qū)開始成為主要導(dǎo)通部分。較大的P+區(qū)摻雜濃度加速了空穴的注入并減小了轉(zhuǎn)折電壓Vturn。

圖5 不同P+區(qū)摻雜濃度下P+結(jié)深處少子濃度分布Fig.5 Minority carrier concentration distribution in P+ junction depth of P+ region at different doping concentrations

2.2 漂移區(qū)摻雜濃度對迅回效應(yīng)的影響

器件開啟雙極模式首先要在漂移區(qū)內(nèi)觸發(fā)大注入效應(yīng),進(jìn)而引發(fā)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng),以降低導(dǎo)通壓降。大注入產(chǎn)生的條件是P+區(qū)注入濃度超過漂移區(qū)摻雜濃度,所以漂移區(qū)濃度會(huì)對器件工作模式轉(zhuǎn)換的難易程度產(chǎn)生影響,并影響其正向特性。同時(shí)漂移區(qū)濃度的變化也會(huì)影響漂移區(qū)與擴(kuò)散區(qū)電阻的阻值,進(jìn)而對器件的正向電流密度產(chǎn)生影響。漂移區(qū)不同摻雜濃度所對應(yīng)的I-V特性如圖6所示。

圖6 MPS二極管不同漂移區(qū)摻雜濃度正向I-V特性曲線Fig.6 Forward I-V characteristic curves of MPS diodes with different doping concentrations in drift region

由圖6可知,漂移區(qū)濃度Nd=2×1015cm-3時(shí)所對應(yīng)的轉(zhuǎn)折電壓Vturn為5.4 V,此時(shí)的正向電流為4.34×10-6A。而當(dāng)漂移區(qū)的濃度增大至Nd=1×1016cm-3時(shí),轉(zhuǎn)折電壓Vturn增大至7.34 V,正向電流降低至3.25×10-5A,迅回效應(yīng)加劇。

降低漂移區(qū)摻雜濃度可以優(yōu)化器件工作模式的轉(zhuǎn)換,但不利于器件在單極模式下工作。漂移區(qū)摻雜濃度的增加會(huì)減小電阻模型中RD與Rch的電阻值,因此在單極模式下,應(yīng)增大器件的正向電流。由此可知,與P+區(qū)摻雜濃度對迅回效應(yīng)特性的影響相比,漂移區(qū)摻雜濃度的增加對正向電流的影響更為顯著。

圖7為MPS二極管在不同漂移區(qū)摻雜濃度下,漂移區(qū)內(nèi)縱向空穴濃度的分布。由于該區(qū)域內(nèi)部摻雜濃度的提高,不易觸發(fā)大注入效應(yīng),圖7a中的曲線隨漂移區(qū)濃度增大,靠近N+區(qū)的彎曲程度逐漸減小,而器件末端區(qū)域載流子的復(fù)合效應(yīng)則相應(yīng)減弱。為了開啟器件雙極模式,需要繼續(xù)增大正向偏置電壓來提高注入的空穴濃度,使得轉(zhuǎn)折電壓Vturn增大,迅回效應(yīng)加劇。圖7b中空穴濃度顯著提升,漂移區(qū)內(nèi)的復(fù)合率有所增加,曲線彎曲程度更高,且復(fù)合區(qū)隨漂移區(qū)濃度的增加更靠近襯底區(qū)。

圖7 不同漂移區(qū)摻雜濃度下P+區(qū)中垂線方向上的少子濃度分布Fig.7 Minority carrier concentration distribution in midperpendicular direction of P+ region with different doping concentrations in drift region

圖8為不同偏置電壓下,靠近器件表面P+結(jié)深處水平方向上的空穴濃度。由圖8a可知,肖特基接觸處的空穴濃度隨漂移區(qū)摻雜濃度的增大而減小,而器件單極模式下正向電流也將隨之增大。較低的空穴濃度可保證單極模式下具有良好的正向特性,但也使轉(zhuǎn)折電壓增大,加劇了迅回效應(yīng)的產(chǎn)生。圖8b中,漂移區(qū)空穴濃度隨漂移區(qū)摻雜濃度的提升而增大,電導(dǎo)調(diào)制效果明顯,載流子分布更加均勻,器件開始轉(zhuǎn)換為雙極工作模式。

圖8 不同漂移區(qū)摻雜濃度下P+結(jié)深處少子濃度分布Fig.8 Minority carrier concentration distribution in P+ junction depth of drift region at different doping concentrations

2.3 P+區(qū)寬度摻雜濃度對迅回效應(yīng)的影響

在不改變肖特基區(qū)寬度的條件下,探究不同尺寸P+區(qū)對迅回效應(yīng)的影響。選取P+區(qū)寬度為1～3 μm的5組數(shù)據(jù),其正向I-V特性如圖9所示。

圖9 MPS二極管不同P+區(qū)寬度下正向I-V特性曲線Fig.9 Forward I-V characteristic curves of MPS diodes with different P+ region width

隨著P+區(qū)寬度L增大到3 μm,轉(zhuǎn)折電壓下降至3.93 V,與L為1 μm時(shí)5.41 V的轉(zhuǎn)折電壓相比降低了27%。P+區(qū)寬度的增加使器件能夠平穩(wěn)開啟雙極模式,進(jìn)而提高了器件的抗浪涌電流能力。在迅回效應(yīng)減弱的同時(shí),器件單極模式下的正向電流也隨著L的增加而增大,同時(shí)Vturn與Vback的差值變小,正向特性接近PIN二極管,開啟電壓基本保持不變。在以往對MPS二極管開啟電壓的研究中表明,降低器件開啟電壓需要改變肖特基區(qū)的金屬功函數(shù)以及肖特基區(qū)尺寸。

通過增大P+區(qū)寬度,提升向漂移區(qū)注入空穴的面積,使得漂移區(qū)內(nèi)空穴濃度在轉(zhuǎn)折電壓Vturn時(shí)相應(yīng)提升,并使其更易觸發(fā)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。對比圖7a與圖10a中的濃度曲線可以發(fā)現(xiàn),P+區(qū)寬度有所增大,大注入觸發(fā)也較為明顯,靠近N+區(qū)部分的載流子復(fù)合顯著,且曲線彎沉程度大。P+區(qū)寬度偏小的器件較晚進(jìn)入雙極模式,當(dāng)正向偏置電壓為Vback時(shí),正向電流較大,漂移區(qū)內(nèi)的空穴濃度相對較高,曲線明顯向襯底方向彎沉,復(fù)合率則隨P+區(qū)寬度的增加而增大,大量注入的少數(shù)載流子將造成電流的迅速升高,此時(shí)器件總電流由PN結(jié)少數(shù)載流子電流起主導(dǎo)作用,如圖10b所示。

圖10 不同P+區(qū)寬度下P+區(qū)中垂線方向上的少子濃度分布Fig.10 Minority carrier concentration distribution in midperpendicular direction of P+ region with different width

P+區(qū)的寬度會(huì)改變器件的橫向尺寸,靠近器件表面P+結(jié)深處水平方向上的空穴濃度,如圖11所示。在不同P+區(qū)寬度條件下,器件正向偏置電壓到達(dá)轉(zhuǎn)折電壓Vturn時(shí)的正向電流密度相差較小,肖特基接觸處的空穴濃度基本一致。由于較寬的P+區(qū)向漂移區(qū)注入空穴的接觸面積提升,P+區(qū)附近的空穴濃度也維持在偏高水平,如圖11a所示。當(dāng)器件開始進(jìn)入雙極模式時(shí),漂移區(qū)內(nèi)空穴濃度便可有所提升。由于器件尺寸發(fā)生變化,P+區(qū)較寬的MPS二極管能夠在正向電流較小的情況下開啟雙極模式,漂移區(qū)空穴載流子濃度則相對較低,如圖11b所示。

圖11 不同P+區(qū)寬度下P+結(jié)深處少子濃度分布Fig.11 Minority carrier concentration distribution in P+ junction depth of P+ region with different width

3 結(jié)束語

本文基于MPS二極管結(jié)構(gòu)的建模,分析了器件正向特性中出現(xiàn)的迅回效應(yīng),并對器件抗浪涌電流能力進(jìn)行優(yōu)化。通過對不同P+區(qū)摻雜濃度、漂移區(qū)摻雜濃度和P+區(qū)寬度條件下MPS二極管的正向特性進(jìn)行研究,同時(shí)提取迅回效應(yīng)過程中漂移區(qū)空穴濃度在Vturn與Vback時(shí)的分布及變化,研究器件工作模式的轉(zhuǎn)變。結(jié)果表明,提高P+區(qū)的摻雜濃度及寬度能夠提高漂移區(qū)的空穴注入效率,并加快器件開啟雙極工作模式,降低轉(zhuǎn)折電壓,進(jìn)而有效抑制迅回效應(yīng)。提高漂移區(qū)的摻雜濃度可以增加器件單極模式下的正向電流,但轉(zhuǎn)折電壓的增大會(huì)使得迅回效應(yīng)加劇。較低的漂移區(qū)摻雜濃度可以抑制迅回效應(yīng),但同時(shí)也會(huì)大幅降低單極模式下的正向電流,因此在參數(shù)設(shè)定上需要權(quán)衡設(shè)計(jì)。