立方氮化硼空间电荷限制肖特基二极管研究

侯国华，姜麟麟

(1.吉林广播电视大学开放学院，长春 130022;2.吉林大学汽车工程学院，长春 130022)

立方氮化硼空间电荷限制肖特基二极管研究

侯国华1，姜麟麟2

(1.吉林广播电视大学开放学院，长春 130022;2.吉林大学汽车工程学院，长春 130022)

为解决金属/立方氮化硼(c-BN)接触问题，提出Si掺杂的立方氮化硼单晶的上表面采用Cu-Zn合金探针、下表面采用Ag浆烧结，制备一个空间电荷限制肖特基二极管。室温下I-V特性实验数据表明，在10 V时器件的整流比为370。提出了该器件的等效电路模型，并且结合空间电荷限制电流和热电子发射理论对实验结果进行了分析。结果表明，正向电流与电压呈现二次幂函数关系。实验测量发现，该二极管开启电压高达4.2 V，最高工作温度超过500℃。

金属/立方氮化硼;整流;空间电荷限制电流;等效电路模型

0 引 言

近年来，人们对高温器件和紫外光电器件不断关注与需求，立方氮化硼(c-BN)由于诸多优良的性能，如高硬度(仅次于金刚石)、导热系数高(常温下约14W/(cm·K))和电子态禁宽宽度达到10.24×10－19J，是理想的切削加工刀具材料等而备受关注。在电子学方面，c-BN(Cubic Boron Nitride)可用作深紫外光电传感器和紫外光发光器件，其化学稳定性好，适合于高温、大功率应用。因此，立方氮化硼被认为是优良的半导体宽禁带材料之一，只是因为大尺寸单晶材料合成和加工困难而限制了其在应用领域的发展［1］。

通过杂质热扩散工艺，将c-BN单晶进行N型和P型掺杂，制备出高温半导体器件，可应用在航天器和新能源汽车锂电池组件旁路并联保护二极管，具有正向DC4.2 V的开启电压和较大的工作电流。

1987年，Mishima等［2］在高温高压条件下，利用程序温度控制的外延生长技术，首次制备出立方氮化硼单晶体(c-BN)同质结，P型区掺杂Be、N型区掺杂Si，观察到了整流特性和空间电荷区的存在，器件可以在500℃以上工作。

目前对于异质结研究报道居多，如c-BN/Si［3-6］。但由于Si材料本征激发温度小于200℃，器件无法在高温条件下工作，并且在c-BN/Si界面存在非立方相的t-BN层，严重影了其整流特性。解决方法是在c-BN上生长宽禁带的半导体材料层，如ZnO(5.12×10－19J)或金刚石(diamond，8.72×10－19J)薄膜，制备异质结二极管［7，8］，这种结构的器件性能虽好，但工艺复杂。

笔者利用空间电荷限制电流效应设计制作了金属/c-BN体单晶接触的整流器件，该整流器件可以在超过500℃以上工作。通过Cu-Zn探针接触和烧结银浆的方式，在Si掺杂的c-BN单晶上形成肖特基接触和欧姆电极，成功制备了具有整流特性的器件，研究了样品器件的I-V特性，并对电流输运机制进行了分析和探讨。

1 实验

实验所用的c-BN样品是在高温高压条件下通过催化剂合成的片状琥珀色的材料，尺寸为面积500μm×500μm，厚度100μm。

1.1 清洗处理

将c-BN单晶片用HNO3和HCl混合溶液处理［8］，比例为1∶3.5，清除表面的金属离子;用甲苯、丙酮和乙醇溶液进行超声清洗，再用去离子水冲洗片状c-BN样品，然后置于红外烘箱烘干备用。

1.2 Si扩散掺杂的实现

在石墨舟中，将烘干后的样品埋入硅粉(粒径＜1mm)，置于入管式高温炉中。然后抽真空，加热炉温，待温度达到800℃时，进行高温扩散5 h［8］，然后停止加热，真空下冷却至室温;取出样品，用1∶3.5比例的氢氟酸和硝酸溶液处理，去除表面物理吸附的残余硅原子，制备出Si掺杂的c-BN样品。

1.3 电极制作

在印刷有电极引线的氧化铝衬底上，均匀地涂上薄薄的银浆，将Si掺杂的c-BN单晶置于银浆膜上，500℃下恒温烧结0.5 h，使c-BN与金属Ag形成冶金学接触。

1.4 器件的制备

将Si掺杂的c-BN单晶，上表面采用Cu-Zn合金探针、下表面采用Ag浆烧结形成电极，得到M-cBN-M结构的器件(见图1)。

1.5 室温下I-V特性测试

将器件放置在自制的测试台上，进行I-V特性测试，测试电路如图2所示。X-Y函数记录仪记录电压电流值，并将数据直接导入计算机。数据处理后，得到I-V特性曲线。由曲线特性可以看出，器件具有良好的整流特性。

图1 器件的侧视图与俯视图Fig.1 Side view and top view of the device

图2 静态电流电压测试电路Fig.2 The static current voltage test circuit diagram

2 实验结果与讨论

2.1 I-V 特性曲线

正向看，当电压大于4 V时，正向电流迅速增加;从反向特性看，在25 V以内，电流都非常小。大于25 V后，电流慢慢增加，表明了器件的整流特性。若以10μA电流为限，器件的开启电压约为4.2 V。在10 V时整流比约为370。

图4为器件的log I-V曲线。由图4可知，曲线是非线性的，并且出现了多个不同增长趋势的部分，这表明器件正向I-V曲线偏离了理想肖特基二极管。在2～4 V电压区间曲线斜率最陡，用热电子发射理论描述，有

其中k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，q为电子电量，n为理想因子。从线性拟合中得到此区间器件的理想因子n=18.7，并没有落在1～2的区间内。而在更高的电压下，电流增长明显变缓。因此可知热电子发射机制受到了限制，其他电流输运机制占据主导地位。

为了进一步了解c-BN整流器件的电学特性，对实验数据进行了双对数处理(见图5)。在低压时，由于测量仪器本身精度所限，数据点比较混乱，仅有蓝线附近一部分数据斜率m=1，即I∝V;在2～4 V区间，m≥17，电流电压幂指数很高，电流随电压快速增长;4 V以后，渐渐过渡到二次曲线;6 V时，m=2，即I∝V2。该电流电压依赖关系与存在陷阱中心的绝缘体中电荷限制电流输运机制相符合。

图5 器件的正向log I-log V图Fig.5 Device forward log I-log V diagram

图4 器件的正向log I-V图Fig.4 Device forward log I-V diagram

图3 器件I-V特性测试图Fig.3 The I-V property of the device test chart

c-BN的禁带宽度为10.24×10－19J，属于传统意义上的绝缘体。众所周知，对于存在陷阱中心的绝缘体的空间电荷限制电流与电压的关系为［9，10］

低电压时，陷阱俘获注入电子，主要是本底载流子导电，I∝V;中等电压时，载流子不断填充陷阱中心，随着注入电子数不同(即外加电压不同)，导带电子与陷阱俘获电子达到不同的平衡状态，即θ是电压的函数，I∝Vm，m＞ 2;当电压较大时，陷阱中心几乎填满，θ与电压无关，I∝V2。综上所述，空间电荷限制电流机制主导着器件的电学特性。

2.2 等效电路模型

器件中有3种电流输运机制：1)本底载流子的欧姆电流;2)空间电荷限制电流;3)越过肖特基势垒的热电子发射电流。前两者为体效应，故相互为并联关系，第3者接触界面效应与前两者串联。

图6所示为器件的等效电路模型。其中，恒定电阻R1表示欧姆电流，电压控制电阻R2表示空间电荷限制电流，D3表示肖特基二极管 SBD(Schottky Barrier Diode)器件。正向偏压，即探针接正、Ag电极接负：当电压较小时，电子被陷阱中心俘获，空间电荷限制电流SCLC(Space Charge Limited Current)受到抑制，R2很大;有一定浓度本底载流子c-BN能传输较小的电流，R1小于R2;对于D3，此时，二极管的微分电阻也相对较小，因此总体上R1主导电流输运。随电压增加，陷阱中心不断捕获电子，R2将越来越小，最终达到R2＜R1;二极管的工作电压达到开启电压后，电流急剧增加。R2反应出空间电荷限制电流效应，I∝Vm，m≥2。

反向偏压：当电压较小时，肖特基二极管反偏，电流仅为反向漏电流，此时R1、R2都远小于D3，D3主导着电流输运，器件处于截止状态;当电压足够大时，肖特基二极管发生齐纳击穿(隧道效应)，大量电子注入到c-BN中，此时D3变得很小，大量电子注入使R2变小，R2＜R1，此时，R2主导着电流的输运。

图6 器件等效电路模型Fig.6 Equivalent circuitmodel of the device

3 结语

笔者利用空间电荷限制电流效应和肖基特接触设计制作了金属/c-BN体单晶接触的整流器件。室温下I-V特性实验数据表明，器件有明显的整流特性，在10 V时器件的整流比为 370;正向电流与电压关系偏离理想的肖特基二极管，而空间电荷电流机制主导样品器件的电学特性。结合空间电荷限制电流和热电子发射理论对实验结果进行了分析，并提出了器件的等效电路模型。实验结果对于c-BN高温整理器件的应用具有一定意义，对宽禁带半导体肖特基二极管的制作具有启发作用。

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Space-Charge-Limited Currents in c-BN Schottky Diodes

HOU Guohua1，JIANG Linlin2

(1.College of Open，Jilin Radio and TV University，Changchun 130022，China;2.College of Automotive Engineering，Jilin University，Changchun 130022，China)

To solve the themetal/cubic boron nitride(c-BN)contact problem，we put forward the Sidoping of cubic boron nitride single crystal on the surface of the Cu-zinc alloy probe，the surface uses the Ag plasma sintering，the preparation of a space charge limited schottky diode.The experimental data showed that the characteristics of I-V at room temperature，the device in DC10 V when the rectification ratio is 370;the positive current and voltage is two times the power function relationship.With the space charge limited current and thermionic emission theory，the experimental results are analyzed，and the equivalent circuitmodel of the sample device.

metal/cubic boron nitride;rectifier;space charge limited current;equivalent circuitmodel

TN31

A

1671-5896(2014)03-0284-04

2014-02-26

侯国华(1959— )，男，长春人，吉林广播电视大学副教授，主要从事半导体器件和传感器的实验研究，(Tel)86-13074319080(E-mail)434208808@qq.com。

刘东亮)