4H-SiC基MPS二极管迅回效应分析

保玉璠, 汪再兴, 彭华溢, 李 尧

(兰州交通大学 电子与信息工程学院, 甘肃 兰州 730070)

碳化硅(SiC)材料被称为第三代半导体材料,具有宽带隙、高临界电场和良好的热导率等特性,故被广泛应用于大功率器件的生产中[1]。与Si材料相比,SiC在饱和电子迁移率、电流传输能力和热稳定性方面的表现更优[2-3]。其中4H-SiC的禁带宽度为3.26 eV,而硅单晶仅有1.12 eV。禁带宽度越宽,本征载流子的浓度越低,本征温度就越高,器件便能在更高的温度条件下工作[4-6]。同时4H-SiC的临界击穿电场为3 MV/cm,而Si仅为0.3 MV/cm,故前者适合制作大功率的微波器件和高压二极管等。此特性不仅有助于提高碳化硅器件排列的密集性,还能够令封装密度进一步增大。此外,4H-SiC材料还具有更大的饱和电子迁移率,相比于Si材料半导体器件,其在电流传输方面的能力更强[7-8]。

Merged PIN/Schottky(MPS)二极管是一种双极器件,该器件将传统的PIN二极管嵌入肖特基二极管中,且由肖特基和PIN结构并联组成。MPS二极管结合了肖特基部分的低导通压降特性与PIN部分的高正向电流密度特性,使得器件在不同正向偏置电压条件下表现出相应的特质。抗浪涌电流能力对功率器件而言至关重要,表明了二极管在正向偏压下所能处理的最大电流。因此,该能力成为电源设计的一个关键参数,也是MPS二极管可靠性的重要影响因素。

本文以4H-SiC为衬底建立MPS二极管基本结构模型,通过模拟仿真不同参数对MPS二极管迅回效应的影响,从而得出相应的变化趋势,以优化器件正向特性并抑制迅回效应。同时通过研究器件内部的载流子分布,探究各参数对迅回效应的影响机理。

1 MPS二极管工作原理与迅回效应

1.1 工作原理

SiC MPS二极管结构如图1所示,其基本参数设置如表1所示。MPS二极管的结构中包含了肖特基以及PIN二极管的结构,工作原理也基于这两种器件的特性[9-11]。在SiC MPS二极管的正向导通过程中,器件的工作模式可以分为单极与双极模式两部分。

表1 MPS二极管基本参数设置Tab.1 Basic parameter settings of MPS diode

图1 MPS二极管结构Fig.1 Structure of MPS diode

随着正向偏置电压的增大,由于肖特基势垒相比PN结势垒低,故其首先进入导通状态,而沟道区和漂移区的少数载流子浓度梯度不为0,且漂移区的电子通过沟道区进入金属形成电流[12-14]。此时,电流主要来自肖特基区的热电子发射,而器件工作在单极模式。继续增大正向偏置电压,使得P+区注入到漂移区的少数载流子浓度不断提高。当注入浓度超过漂移区掺杂浓度时,便会产生大注入效应[15]。随着注入空穴浓度的增大,电中性要求电子与空穴的浓度相等,这会导致漂移区内发生电导调制效应,从而令器件具有高正向电流密度和低导通压降,即器件工作在双极模式。

1.2 迅回效应

MPS二极管迅回效应出现在由单极向双极模式过渡的过程中。开启双极工作模式时会出现电压减小、电流增大的现象,由此产生负阻效应。而电压减小至某一值后又继续增大,且整个过程的电流持续增加,这种现象被称为迅回效应,如图2所示。

图2 MPS二极管正向I-V特性曲线Fig.2 Forward I-V characteristic curve of MPS diode

由图2可知,A点之前器件整体处于关断状态;A点与B点之间,肖特基接触部分开始导通,器件处于单极模式。此时偏压继续增大,并在B点处发生迅回效应,且导通压降减小,正向电流持续增加。而B点之后器件进入双极模式,PIN部分导通,正向电流迅速增加。当迅回效应发生时,需要额外的正向电压来开启双极工作模式,电压最大值定义为转折电压Vturn,对应图中B点,负阻效应消失时对应的电压定义为折回电压Vback。若Vturn过高,在进入浪涌电流模式之前引发过热,导致器件被破坏。

已有研究表明,一定范围内温度升高使MPS二极管的开启电压和转折电压均减小,加速器件内部载流子的输运,促进MPS二极管工作模式平滑过渡,较好地抑制了迅回效应。当温度过高时,器件电流密度达到临界电流密度,温度和压降会急剧增加,导致器件损坏。

2 MPS二极管迅回效应影响因素

2.1 P+区掺杂浓度对迅回效应的影响

MPS二极管作为一种双极性器件,P+区的设计会直接影响器件双极工作模式的开启。在高正向偏置电压下,P+区向漂移区注入空穴,少数载流子注入到具有高电阻率的漂移区会产生电导调制效应,并导致正向压降降低。而改变P+区掺杂浓度会影响漂移区内注入的空穴浓度,使得大注入效应所产生的正向偏置电压不同,进而影响到器件工作模式的切换。通过仿真模拟研究P+区掺杂浓度对迅回效应的影响,如图3所示。

图3 MPS二极管不同P+区掺杂浓度正向I-V特性曲线Fig.3 Forward I-V characteristic curves of MPS diodes with different doping concentrations in P+ region

当P+区的掺杂浓度Na=1×1017cm-3时,所对应的转折电压Vturn为6.44 V;随着掺杂浓度的增大,当Na=1×1021cm-3时转折电压Vturn下降至4.89 V,这是因为此时器件较早开启双极模式,导致迅回效应减弱。

P+区掺杂浓度会影响注入空穴的浓度,高掺杂浓度的P+区会加快漂移区内产生大注入效应,并较早发生电导调制效应。该效应可使漂移区的电阻率减小,器件导通压降开始降低,对应的迅回效应正向偏置电压到达转折电压Vturn。

当正向偏置处于折回电压Vback时,表明漂移区内电导率已停止大幅增加,此时器件完全导通,并主要呈现出PN结整流特性。P+区掺杂浓度的增大加速了器件从单极向双极模式的整个过渡过程,有效抑制了迅回效应的产生。

图4为MPS二极管在发生迅回效应过程中不同正向偏置电压下,漂移区内纵向空穴浓度在不同P+区掺杂浓度下的分布。图4a中,器件处于单极工作模式,在漂移区内由P+区注入的空穴浓度保持稳定。P+区与N+衬底区被称为末端区域,器件工作在大注入状态时,在该区域会发生载流子复合效应,曲线在靠近N+区时向下弯沉,空穴浓度减小。

图4 不同P+区掺杂浓度下P+区中垂线方向上的少子浓度分布Fig.4 Minority carrier concentration distribution in midperpendicular direction of P+ region at different doping concentrations

当正向偏置电压变化至Vback时,器件开启双极工作模式,漂移区内部空穴浓度明显增大。由于电导调制效应的产生使得正向电流密度迅速增加,漂移区内少数载流子浓度提升至1×1016cm-3,如图4b所示。较高的P+区掺杂浓度可以保证漂移区内的空穴浓度在两种工作模式下维持较高水平,有利于削弱迅回效应并增大双极模式下的正向电流密度。

图5为不同偏置电压下,靠近器件表面P+结深处水平方向上的空穴浓度。图5a中,器件正向导通部分为肖特基接触,MPS二极管的电流主要由肖特基结的热电子发射效应产生,且此处的空穴浓度维持在较低水平。由于偏低的P+区掺杂浓度使双极模式开启需要更大的正向偏置电压,这也使触发电导调制效应变得困难,迅回效应也显著加剧。图5b中肖特基接触下方空穴的浓度明显增大,MPS二极管的P+区开始成为主要导通部分。较大的P+区掺杂浓度加速了空穴的注入并减小了转折电压Vturn。

图5 不同P+区掺杂浓度下P+结深处少子浓度分布Fig.5 Minority carrier concentration distribution in P+ junction depth of P+ region at different doping concentrations

2.2 漂移区掺杂浓度对迅回效应的影响

器件开启双极模式首先要在漂移区内触发大注入效应,进而引发电导调制效应,以降低导通压降。大注入产生的条件是P+区注入浓度超过漂移区掺杂浓度,所以漂移区浓度会对器件工作模式转换的难易程度产生影响,并影响其正向特性。同时漂移区浓度的变化也会影响漂移区与扩散区电阻的阻值,进而对器件的正向电流密度产生影响。漂移区不同掺杂浓度所对应的I-V特性如图6所示。

图6 MPS二极管不同漂移区掺杂浓度正向I-V特性曲线Fig.6 Forward I-V characteristic curves of MPS diodes with different doping concentrations in drift region

由图6可知,漂移区浓度Nd=2×1015cm-3时所对应的转折电压Vturn为5.4 V,此时的正向电流为4.34×10-6A。而当漂移区的浓度增大至Nd=1×1016cm-3时,转折电压Vturn增大至7.34 V,正向电流降低至3.25×10-5A,迅回效应加剧。

降低漂移区掺杂浓度可以优化器件工作模式的转换,但不利于器件在单极模式下工作。漂移区掺杂浓度的增加会减小电阻模型中RD与Rch的电阻值,因此在单极模式下,应增大器件的正向电流。由此可知,与P+区掺杂浓度对迅回效应特性的影响相比,漂移区掺杂浓度的增加对正向电流的影响更为显著。

图7为MPS二极管在不同漂移区掺杂浓度下,漂移区内纵向空穴浓度的分布。由于该区域内部掺杂浓度的提高,不易触发大注入效应,图7a中的曲线随漂移区浓度增大,靠近N+区的弯曲程度逐渐减小,而器件末端区域载流子的复合效应则相应减弱。为了开启器件双极模式,需要继续增大正向偏置电压来提高注入的空穴浓度,使得转折电压Vturn增大,迅回效应加剧。图7b中空穴浓度显著提升,漂移区内的复合率有所增加,曲线弯曲程度更高,且复合区随漂移区浓度的增加更靠近衬底区。

图7 不同漂移区掺杂浓度下P+区中垂线方向上的少子浓度分布Fig.7 Minority carrier concentration distribution in midperpendicular direction of P+ region with different doping concentrations in drift region

图8为不同偏置电压下,靠近器件表面P+结深处水平方向上的空穴浓度。由图8a可知,肖特基接触处的空穴浓度随漂移区掺杂浓度的增大而减小,而器件单极模式下正向电流也将随之增大。较低的空穴浓度可保证单极模式下具有良好的正向特性,但也使转折电压增大,加剧了迅回效应的产生。图8b中,漂移区空穴浓度随漂移区掺杂浓度的提升而增大,电导调制效果明显,载流子分布更加均匀,器件开始转换为双极工作模式。

图8 不同漂移区掺杂浓度下P+结深处少子浓度分布Fig.8 Minority carrier concentration distribution in P+ junction depth of drift region at different doping concentrations

2.3 P+区宽度掺杂浓度对迅回效应的影响

在不改变肖特基区宽度的条件下,探究不同尺寸P+区对迅回效应的影响。选取P+区宽度为1～3 μm的5组数据,其正向I-V特性如图9所示。

图9 MPS二极管不同P+区宽度下正向I-V特性曲线Fig.9 Forward I-V characteristic curves of MPS diodes with different P+ region width

随着P+区宽度L增大到3 μm,转折电压下降至3.93 V,与L为1 μm时5.41 V的转折电压相比降低了27%。P+区宽度的增加使器件能够平稳开启双极模式,进而提高了器件的抗浪涌电流能力。在迅回效应减弱的同时,器件单极模式下的正向电流也随着L的增加而增大,同时Vturn与Vback的差值变小,正向特性接近PIN二极管,开启电压基本保持不变。在以往对MPS二极管开启电压的研究中表明,降低器件开启电压需要改变肖特基区的金属功函数以及肖特基区尺寸。

通过增大P+区宽度,提升向漂移区注入空穴的面积,使得漂移区内空穴浓度在转折电压Vturn时相应提升,并使其更易触发电导调制效应。对比图7a与图10a中的浓度曲线可以发现,P+区宽度有所增大,大注入触发也较为明显,靠近N+区部分的载流子复合显著,且曲线弯沉程度大。P+区宽度偏小的器件较晚进入双极模式,当正向偏置电压为Vback时,正向电流较大,漂移区内的空穴浓度相对较高,曲线明显向衬底方向弯沉,复合率则随P+区宽度的增加而增大,大量注入的少数载流子将造成电流的迅速升高,此时器件总电流由PN结少数载流子电流起主导作用,如图10b所示。

图10 不同P+区宽度下P+区中垂线方向上的少子浓度分布Fig.10 Minority carrier concentration distribution in midperpendicular direction of P+ region with different width

P+区的宽度会改变器件的横向尺寸,靠近器件表面P+结深处水平方向上的空穴浓度,如图11所示。在不同P+区宽度条件下,器件正向偏置电压到达转折电压Vturn时的正向电流密度相差较小,肖特基接触处的空穴浓度基本一致。由于较宽的P+区向漂移区注入空穴的接触面积提升,P+区附近的空穴浓度也维持在偏高水平,如图11a所示。当器件开始进入双极模式时,漂移区内空穴浓度便可有所提升。由于器件尺寸发生变化,P+区较宽的MPS二极管能够在正向电流较小的情况下开启双极模式,漂移区空穴载流子浓度则相对较低,如图11b所示。

图11 不同P+区宽度下P+结深处少子浓度分布Fig.11 Minority carrier concentration distribution in P+ junction depth of P+ region with different width

3 结束语

本文基于MPS二极管结构的建模,分析了器件正向特性中出现的迅回效应,并对器件抗浪涌电流能力进行优化。通过对不同P+区掺杂浓度、漂移区掺杂浓度和P+区宽度条件下MPS二极管的正向特性进行研究,同时提取迅回效应过程中漂移区空穴浓度在Vturn与Vback时的分布及变化,研究器件工作模式的转变。结果表明,提高P+区的掺杂浓度及宽度能够提高漂移区的空穴注入效率,并加快器件开启双极工作模式,降低转折电压,进而有效抑制迅回效应。提高漂移区的掺杂浓度可以增加器件单极模式下的正向电流,但转折电压的增大会使得迅回效应加剧。较低的漂移区掺杂浓度可以抑制迅回效应,但同时也会大幅降低单极模式下的正向电流,因此在参数设定上需要权衡设计。