4H―SiC pn结二极管工作区的研究

【摘 要】 基于碳化硅材料的优越性能，进行了4H-SiC pn结二极管正向工作区内电学特性和热学特性的模拟研究。仿真分析表明4H-SiC pn结二极管具有高温稳定性，在温度达到600K时仍具有稳定的扩散区，压降在1.4V～1.9V区间，电流范围为10-8A～10-3A，理想因子n为1.7～1.8，明显优于Si二极管。

【关键词】 4H型碳化硅 二极管 扩散区 理想因子

近年来，以Si技术为基础的材料和器件的性能接近理论极限，因此宽紧带材料及器件逐渐成为半导体领域研究的重点。例如发光二极管、太阳能电池，几乎都是基于pn结原理[1]。因此研究SiC二极管，对于进一步研究和制作各种相关器件十分关键。

SiC二极管相比Si二极管的耐高压、耐高温、损耗低等优越性能，一直是研究者们关注的热点。近年来一系列对SiC二极管的研究，均是从二极管的高温特性和掺杂浓度入手，对正向工作区的状态没有过深入研究。本文针对4H-SiC pn结二极管不同温度下的工作区进行仿真，对比Si-pn结二极管，得出可供参考的数据，对选取4H-SiC pn结二极管适用扩散区范围达到理想工作状态有重要意义。

1 模型

本文运用仿真软件建立了4H-SiC pn结二极管模型，为了反应SiC二极管的电学特性和温度特性，用到以下模型。

1.1 迁移率模型

模拟采用了低电场的迁移率模型[2]：

1.2 载流子产生-复合模型

应用Shockley和Read以及Hall建立起来的效应理论，即SRH模型[2]：

2 仿真与分析

仿真采用的4H-SiC pn结二极管p+n-n结构。器件衬底为掺杂n+，衬底上生长n型外延，厚度为3.8μm，浓度为1.0×1016cm-3。其上再生长浓度为2.0×1019cm-3的p+型外延。

2.1 正向I-V特性

二极管正向工作区由三部分组成：小电流区、少子扩散区、复合电流区。图1所示，正偏电流在10μA附近，Si二极管的电压为0.6V，SiC二极管为2.55V。已知理想二极管公式（3），得出理想因子n为1，即二极管工作在少子扩散区。

（3）

因此研究正向工作区可以反应出材料之间的Eg关系。可以看出，SiC二极管正向压降较大，因此SiC的禁带宽度远高于Si的禁带宽度。模拟得出在理想因子n=1时，Si半导体材料的禁带宽度Eg约为1.12eV，4H-SiC半导体材料的禁带宽度Eg约为3.2eV。

所示，ID为扩散区电流，IL为大电流区电流。Si二极管在0.3V～0.8V的理想因子接近1，即扩散区；在1V以后逐渐进入复合区。SiC二极管扩散区2.1V～2.6V，此时理想因子最接近于1；在电压为2.7V，电流为20mA时，SiC二极管的理想因子接近于2，复合作用占主导。

2.2 工作区理想因子和电学特性分析

为了反映不同温度下，4H-SiC pn结二极管正向工作区的变化情况，图2对300K～600K温度范围内的SiC二极管正向特性进行了模拟。T=300K时，理想工作区约在1.7V～2.6V，n为1～1.25。而T=600K时，正偏压在1.4V～1.8V，n为1.7～1.8。随着电压的增加，n逐渐增大至2，电流达到饱和状态。随着温度升高，SiC二极管扩散区的理想因子n在1～2之间呈缓慢上升趋势，体现了其耐高温特性。

3 结语

本文对4H-SiC pn结二极管正向工作区的相关参数模拟研究。分析表明，常温下4H-SiC pn结二极管正向工作区在电流范围10-14A～10-2A，理想因子n为1。随温度升至600K，SiC二极管扩散区n范围在1～2。这是由于SiC材料的宽紧带特性，使得电流在高温下仍因少数载流子扩散引起，仍具有理想因子接近1的扩散区范围。体现了SiC二极管的耐高温性。本文对选取4H-SiC pn结二极管适用扩散区范围达到理想工作状态有重要意义。

参考文献

[1]钟德刚，徐静平，高俊雄.Pt/6H-SiC肖特基势垒二极管特性分析[J].微电子学，2003，33（1）：26-28.

[2]S.赛尔勃赫.半导体器件的分析与模拟[M].上海：上海科学技术文献出版社，1986，100-109.