4H-SiC浮结型肖特基势垒二极管的数值模拟

曹琳，蒲红斌，周少将，胡永涛

西安理工大学自动化系，西安 710048

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Email：cl_zhifang@hotmail.com

摘 要 本文采用数值模拟的方法对4H-SiC浮结肖特基势垒二极管的静态及动态特性进行了研究。该器件可以在保证高的反向耐压的同时使正向导通电阻最小化，较好的解决了常规器件正向导通电阻和反向耐压间的矛盾。模拟结果表明，相同条件下增加浮结使得击穿电压由2800V增加到4000V。反向恢复特性表明器件具有软恢复特性，软度因子为0.949。

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关键词 碳化硅 浮结 肖特基势垒二极管 软度因子

1． 引言

随着 3C、6H、4H-SiC体材料生长及外延技术的成熟，人们对SiC器件的研究和开发逐渐进入实用化阶段。由于高压下碳化硅的肖特基势垒比硅薄，进一步提高碳化硅肖特基势垒二极管的阻断电压就会受到隧穿势垒的反向漏电流的限制。计算可知，对于一个高度为1eV的SiC肖特基势垒与SiC临界击穿电场3MV/cm相对应的最高击穿电压下的势垒宽度只有3nm左右，这正好是发生电子隧穿的典型宽度。为了充分发挥碳化硅临界击穿电场强度高的优势，可采用pn结肖特基势垒复合结构（JBS或MPS）来排除隧穿电流对实现最高阻断电压的限制。随着SiC肖特基势垒二极管（SBD）的深入研究，要求我们在不牺牲阻断电压的同时，使正向导通电阻最小化，这就需要打破常规意义下肖特基二极管的设计思路。

近年来,基于电荷补偿原理提出的超结结构被不断提出并实现，对于超结型肖特基势垒二极管研究，

1000V Si基器件已有报道[1]，

应用超结结构的典型产品是1998年德国西门子的英飞凌( Infineon) 公司推出的COOLMOSTM器件。涉足SiC基肖特基势垒二极管研究，仅有美国Rensselaer理工研究所的T. Paul Chow和美国Rutgers大学的K.Sheng两个研究小组[2]，且主要工作集中于器件结构模拟方面。由于超结结构工艺实现比较困难[3-4]，电荷补偿型器件要求电荷平衡，否则效果不尽人意，因而至今为止未见涉足SiC器件工艺方面的研究报道。

为克服超结结构的不足，考虑到实际制作工艺的可行性，本文采用浮结结构[5-6]，在结构优化的基础上[7]

使用商用模拟软件MEDICI[8]对其静态及动态特性进行研究。

2． 器件结构及原理

器件结构如图1所示，由于在n型的漂移区中部嵌入了p+型的浮结，当反向电压增加时，空间电荷区由

肖特基接触向浮结扩展，当上漂移区完全耗尽时，类似于平面终端中保护环的原理，肖特基接触与浮结穿通，浮结电势固定。当电压继续增加时，下漂移区电压增加，空间电荷区由浮结向阴极扩展。与常规肖特基势垒二极管所形成一个三角形电场相比，在漂移区的上下两部分形成了两个三角形的电场。理论上可以通过增加浮结的数量而使最高电场低于SiC的临界电场。如果电场的分布是连续的且嵌入的浮结不会影响正向电流的流通，与传统的结构相比，导通电阻和耐压能力将有M(漂移区的个数)倍的提高。导通电阻和耐压的关系也由原来的平方关系演变为一次方关系。在同样的耐压层厚度下，可以通过增加漂移区掺杂浓度降低导通电阻而保持耐压不变。

阳极 (肖特基接触)SiO2电场强度Ec上漂移区JTE2SWP+浮结下漂移区SiC衬底阴极(欧姆接触)

图1 器件结构

3.模拟及讨论

合适的SiC模型及材料参数的选取可以使得模拟结果更加接近器件的真实特性，模拟中选取了文献最新报道的4H-SiC材料参数，禁带窄化，碰撞电离，Auger复合，SRH复合，费米狄拉克统计，不完全电离等模型都在模拟中选用，Ni为肖特基接触金属，功函数为4.7eV。

3.1 反向电场分布

图2为4H-SiC浮结肖特基势垒二极管在反向电压分别为500V（a）及1000V（b）下的电场分布。可以看出，当耗尽区达到浮结时，肖特基接触处电场强度

不再增加，空间耗尽区只在浮结下部扩展，与前理论分析一致，达到设计要求。

图2 不同反向电压下的电场分布

3.2 反向IV特性

当浮结宽度W=0.4μm，浮结及漂移区掺杂浓度分别为1×1017cm-3 及 5×1015cm-3时,相同条件下有无浮结反向IV特性如图所示。

图3可以看出，在相同结构及掺杂浓度的情况下，增加浮结使得击穿电压由2800V增加到4000V。

0.0300.0252mc0.020/ 无浮结A/度密0.015 有浮结流电向0.010反0.0050.00001x1032x1033x1034x1035x103反向电压/V

图3 反向IV特性

3.3 反向恢复特性

反向恢复特性可由二极管电容充放电过程来解释。4H-SiC浮结肖特基势垒二极管反向恢复特性如图4所示，当反向电压增加时，耗尽区由肖特基接触向浮结扩展，电容减小。当耗尽区达到浮结时（A点），肖特基接触与浮结穿通，浮结电势固定，电压斜率发

生微小变化。当电压继续增加时，耗尽区由浮结向阴极扩展，电容增加，整个浮结肖特基势垒二极管的电容等同于浮结与阴极之间的电容。反向电压变化速率dV/dt反比于肖特基势垒二极管电容，所以电流变化速率减小，得到软恢复特性。

501000-5050V -100A/0 压电-150向-50反-200电流密度/ A/cm2-100-250-300-1501000100510101015102010251030时间/ ns

图4 反向恢复特性

软度因子[9]是衡量二极管反向软恢复特性的参数，计算可得4H-SiC浮结肖特基势垒二极管的软度因子为0.949（S=tb/ta=2.599/2.737 ns）。

4. 结论

本文利用商用模拟软件MEDICI对4H-SiC浮结肖特基势垒二极管的静态及动态特性进行模拟研究。模拟结果表明，相同条件下，增加浮结后击穿电压由2800V增加到4000V。同时，器件具有软恢复特性，软度因子为0.949。综上所述，4H-SiC浮结肖特基势垒二极管是一种性能优异，工艺可行的碳化硅肖特基势垒二极管。

参考文献

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[2] Lin Zhu, Peter Losee, Design of high voltage 4H-SiC

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[8] MEDICI 4.0 user’s manual, Palo Alto, CA:TMA inc,2001. [9] Xu Cheng,Baowei Kang,Chuguang Feng,Yu

Wu,Xingming Liu. Fast reverse recovery body diode in high-voltage VDMOSFET using cell-distributed Schottky contacts. IEEE Trans. Electron Devices, 2003, 50:1422