掺碳 SiGe 二极管反向阻断特性模拟与机理分析1.doc

精品论文 http:/www.paper.edu.cn掺碳 SiGe 二极管反向阻断特性模拟与机理分析1高 勇， 刘 静西安理工大学电子工程系，陕西 西安 710048E-mail: gaoyxaut.edu.cn摘要：对掺碳 SiGe 功率二极管的反向阻断特性进行了较深入的研究，给出了详细的机理分析。与同结构 SiGe 二极管相比，SiGeC 二极管的热稳定性显著提高，反向漏电流明显减 小，击穿电压也有所增加，而且随着温度的升高 SiGeC 二极管相对于 SiGe 二极管的优势更加显著。与少子寿命控制技术相比，该 SiGeC/Si 异质结二极管有效协调了降低通态电压、 减小反向漏电流、缩短反向恢复时间三者之间的矛盾。较好的热稳定性，降低了对器件后续制作工艺的限制，而且它不需要采用寿命控制技术，在制作过程中可以调解 Ge、C 含量对 异质结能带结构进行剪裁，实现对器件性能的折中优化，给器件设计提供了更大的自由度。关键词：功率二极管，SiGeC，反向漏电流，寿命控制 中图分类号：TN313+ .41引 言随着电力电子技术的发展，主开关器件工作频率不断提高，对功率二极管性能的要求越 来越高1。既要正向压降低、反向耐压高、反向漏电流小，还要具有快而软的反向恢复特性。 传统的 Si p-i-n 功率二极管由于其材料特性的局限性，很难实现 Qs-Vf-Ir 三者的良好折中。 在二极管寿命控制技术中，通过减小大注入寿命来缩短二极管的反向恢复时间。但寿命控制 技术的缺点是，引入的高浓度复合中心也是产生中心，会导致空间电荷产生寿命下降，使漏 电流上升；另外，复合中心由于补偿作用会使 n-区电阻率增加，导致正向压降升高，影响二 极管的正向导通特性。因此。可以说寿命控制技术对二极管反向恢复特性的改进，是以牺牲 器件的通态特性和反向阻断特性为代价的2。SiGe 是一种重要的 Si 基应变材料，属于可变组分材料系统，与化合物半导体一样可以 借助异质结来提升器件的性能3。尽管 SiGe 异质结器件因其较高的晶格失配率，在高产出 率、大面积、低缺陷 SiGe/Si 异质外延等技术领域中还存在若干挑战性难题，但掺碳 SiGe 材料的出现，可以从根本上解决 SiGe 异质结器件的晶格失配问题，同时有成本低廉的 Si 衬底和 Si 工艺作后盾，SiGeC 异质结器件作为一种具有价格竞争力潜质的产品。国际上已 有很多关于 SiGeC 合金材料制作 MOS 器件和光电器件的相关报道4，认为 C 的引入大大提 高了 SiGe 合金材料的热稳定性。但是，将 SiGeC 合金材料应用于功率器件的研究还是鲜有 报道。本文将异质结能带工程应用于功率半导体器件的特性改进，对掺碳 SiGe 二极管的反向 阻断特性进行深入的研究，给出了详细的机理分析。与寿命控制二极管相比，掺碳 SiGe 二 极管可以更好的解决功率二极管中通态压降、反向漏电流和反向恢复时间之间的矛盾。2器件结构及机理分析掺碳 SiGe 异质结二极管采用 p-i-n 二极管的三层结构，如图 1 所示。它的阳极区为 p+ 掺杂的 SiGeC 层，阴极区为 n+掺杂的 Si 层，阳极和阴极之间是低掺杂浓度的 n-区。n-区的 存在大大改善了二极管的反向耐压能力，二极管的反向耐压强烈的依赖于 n-区的厚度和掺杂 浓度，因此二极管中 n-区的厚度可以根据反向耐压进行选择，大大拓宽了二极管的应用领域，1 本课题得到高等学校博士学科点专向科研基金资助（20050700006）- 7 -精品论文但功率二极管正向导通时的电导调制效应在有效降低正向导通压降的同时，也带来了二极管反向恢复时载流子的抽取复合问题5。在掺碳 SiGe/Si 异质结二极管中，器件特性的改善是基于 SiGeC/Si 异质结实现的。异质 结的不同配置具有不同的物理性质，因此 SiGeC/Si 异质结的能带配置状况，对分析异质结 二极管的电流输运机理，进行器件特性设计是很重要的。n-掺杂的 Si 层组成的 SiGeC/Si 异质结，由于 p 型 SiGeC 的掺杂浓度比 n 型 Si 的掺杂浓度高几个数量级，也即是 说异质结两边宽带材料的掺杂浓度比窄带少的多，这样 势垒主要降落在宽带区。同时，在 SiGeC/Si 异质结能带 结构中能带偏移量 Eg 中主要是 EV，导带底偏移量 EC 几乎可以忽略不计（当 Ge、C 含量分别限制在 30% 和 1.5%以内时）。因此，p+掺杂的 SiGeC 层与 n-掺杂的 Si 层组成的 SiGeC/Si 异质结，平衡时的能带结构属于 “负反向势垒”的情况，如图 2 所示。在 SiGeC/Si 异质 结上施加正向电压后，其能带结构如图 3 所示。在低正Anode p+-SiGeCn- -Sin+ -SiCathode图 1 SiGeC/Si 异质结二极管结构向偏压下，SiGeC/Si 异质结仍满足负反向势垒的情形，在界面处禁带宽度大的半导体材料的 势垒尖峰，低于异质结势垒区外的禁带宽度小的半导体材料的导带底。热平衡时，空穴由 p 型 SiGeC 层的价带到 n 型 Si 材料的价带遇到的势垒高度为（qVD+EV），而电子由 n 型 Si 材料的导带到 p 型 SiGeC 层的导带遇到的势垒高度为（qVD-EC），两者是不同的。空穴的 势垒比电子的势垒要高的多，即（qVD+EV）>（qVD-EC）。EC EC q (V-V )qVD1ECD1 a1ECq (V-V )Eg,S iGeCEVEVx1 x0 x2qVD2ECEFEg,S iEVEFVEVEg,S iGeCEVx1 x0 x2D2 a2Eg,S iECEFCEV图 2 SiGeC/Si 异质结平衡状态能带图图 3 正向偏压下 SiGeC/Si 异质结能带图基于耗尽近似理论（假设异质结两侧空间电荷区内载流子都是耗尽的，少子可以忽略不计）来分析 SiGeC/Si 异质结，可以得到SiGeC/Si 异质结二极管在较小正向偏压下的电流电压关系为 qD n qV E qV J = n Si exp D C exp a 1（1） Ln k0T k0T 其中，Va 为外加电压，Dn 为电子扩散系数，Ln 为电子扩散长度。在较小正向偏压下，SiGeC/Si异质结能带满足负反向势垒情形，由式（1）可以看出，此时二极管两端的电流和电压呈指数关系变化。但是，当正向电压增大时，SiGeC/Si 异质结界面处导带底的势垒尖峰将逐渐露出 p 区的导带底，也即是在交界面处 Si 半导体的势垒尖峰，高于异质结势垒区外 SiGeC 材 料的导带底，此时分析它的异质结电流电压传输关系，应基于正反向势垒能带情形。此 时可以由下式来表示 SiGeC/Si 二极管的电流电压传输关系 qDn nSi qVD 2 qVa 2 qVa1 J = L exp k Texpk T exp k T（2） n 000由式（2）可以看出，在较高的正向偏置电压下 SiGeC/Si 异质结上的电流和电压仍遵循指数规律变化。3器件特性分析利用 ISE 软件对图 1 所示的 SiGeC/Si 异质结功率二极管电学参数进行仿真。以如下结 构参数为例：各区的掺杂浓度分别为 p+区为 1×1019cm-3，n-区为 1×1015cm-3，n+区为 1×1020cm-3； 各区的厚度分别为 p+型 SiGeC 材料 40nm，n-型 Si 材料 10m，n+型 Si 材料 2m，其中 p+ 区 SiGeC 材料中 Ge 和 C 的含量分别为 20%和 5%。SiGeC 是一种新型的半导体材料，现有 的模拟软件中还没有相关的器件和工艺物理模型，我们课题组查阅了大量文献，在众多的理 论计算中筛选出经实验验证能精确反映 SiGeC/Si 异质结器件电特性的关键物理参数模型6， 如：能带结构模型、迁移率模型、态密度模型等，通过输入模型公式和修改模型参数的方式 将新模型分别应用到模拟软件 MEDICI 和 ISE 中，并将两者的结果进行对比确保模型的正 确性和可靠性。3.1 反向阻断特性分析图 4 为相同结构参数下，Si、SiGe 和 SiGeC 三种二极管反向阻断特性曲线。三种二极 管结构中只有 p+区的材料类型不同，其余各参数均相同。由图 4 可以看出，与 Si 二极管相 比，SiGeC 二极管的反向漏电流和击穿电压都几乎没有变化，但与 SiGe 二极管相比，SiGeC 二极管中 C 的加入大大减小了二极管的反向漏电流，而且击穿电压也有所增加。当二极管被施加反向电压时，J ( A / cm2)R其反向漏电流主要由两部分构成： 一、扩散分量。这个反向电流是由 空间电荷区以外的热产生少子扩 散到空间电荷区形成的。当 n-区中 热产生的空穴扩散到空间电荷区 边界时，内建电场就将其输运走， 使其穿越空间电荷区而进入 p+区。 类似地，p+区中热产生的电子也会 被运输到 n-区中。二、产生复合 分量。在反向偏压下，p+-n-结的势垒会升高，其直接的后果就是空间0.0-4.0x10-7-8.0x10-7-1.2x10-6-1.6x10-6-2.0x10-6Si 二极管 SiGe 二极管 SiGeC 二极管-200 -150 -100 -50 0V (V)电荷层的厚度增大。此时，空间电图 4 SiGeC 二极管和 Si 二极管反向恢复特性比较荷层中电子-空穴对的产生就必须加以考虑。热产生的载流子会在内建电场中漂移，电子被 输运到 n-区，空穴被输运到 p+区。在各种器件结构中，主要的产生过程发生在局部的复合中心处，在 SiGe 二极管结构中，由于 Ge 的晶格常数比 Si 大 4.2%，以赝晶方式生长的 SiGe 外延层中存在很大应变能，很容易在 SiGe/Si 异质结界面处引入缺陷和界面失配位错，这就导致了反偏下在 p+-n-结空间电荷 区中会有大量的电子-空穴对产生。因而，在 SiGe/Si 异质结功率二极管中会观察到较大的反 向漏电流。在 SiGeC 二极管结构中，少量 C 的引入从材料生长的角度出发，利用 C 对 SiGe 合金的应变补偿作用，大大减小了在 SiGeC/Si 异质结界面处产生界面失配位错。所以，在 相同器件结构条件下，SiGeC 二极管相对于 SiGe 二极管有较小的漏电流。图 5 给出了 SiGeC 二极管在反向偏压分别为 138V、196V和 200V 时，器件内部沿器件纵101916电子 浓 度 空穴 浓 度 向方向掺杂浓度和载流子浓度Concentration (cm-3)分布曲线。由图可以看出，在 反向偏压为 138V 时，n-区完全 耗尽，电子和空穴的浓度大约 在 104105cm-3 数量级，经计算 得到二极管 的反向漏电 流为 2.24×10-7A/cm2。当反向偏压增1010131010107104掺杂浓 度V =196VRV =200VRV =138VR大到 196V 时，n-区内电子和空 穴的浓度大约在 105106cm-3 数 量级，经计算得到二极管的反 向漏电流为 1.5×10-6A/cm2。当024681012Depth (um)图 5 不同反向偏压下 SiGeC 二极管内部掺杂浓度和载流子浓度分布二极管的偏向偏压增大到 200V 时，n-区内电子和空穴的浓度增大到 1091010cm-3 数量级， 此时碰撞电离效应加剧，SiGeC 二极管体内载流子浓度相对于反向耗尽状态大幅度上升（电 压增大 4V，二极管体内载流子增大了 4 个数量级），反向漏电流急剧增大，二极管击穿。功率二极管的反向漏电流是温度的敏感函数，温度每升高 12二极管的反向漏电流将 大约增加一倍。当温度升高时，SiGe 材料因其较低的热稳定性，而导致 SiGe 二极管的反向 漏电流以更快的速度恶化。图 6 给出了不同温度下 SiGeC/Si 和 SiGe/Si 两种异质结二极管的反向阻断特性对比曲线，由图可以看出，SiGe 二极管的反向漏电流随温度的升高而迅速增 大。在 400K 的温度下，SiGe 二极管的反向漏电流已经高达 8.3mA/cm2，这个数值已经远远超出了二极管的正常工作区域。与J ( A / cm2)RSiGe 二极管相比，SiGeC 二极管 的反向漏电流随温度升高而恶化 的趋势得到大大改善。随着温度的 升高 SiGeC 二极管相对于 SiGe 二 极管的优势更加显著。因此， SiGeC 二极管中少量 C 的加入可 以大大改善二极管的反向阻断特 性。由图 6 同时可以 看 出， SiGeC /Si 异质结二极管在 350 K0.000-0.002-0.004-0.006-0.008SiGe 二极管 T=300K SiGe 二极管 T=350K SiGe 二极管 T=400K SiGeC 二极管 T=300K SiGeC 二极管 T=350K SiGeC 二极管 T=400K-200 -160 -120 -80 -40 0v (V)与 400 K 时的反向漏电流曲线是图 6 不同温度下 SiGeC 和 SiGe 两种二极管的反向阻断特性对比相交的。这说明了 SiGeC /Si 二极管的反向击穿机理为雪崩击穿。当二极管被施加反向电压时，在反偏下的空间电荷区内，在两次散射之间，电子和空穴被电场加速动能增大。同时， 起加速作用的电场会随着反向偏压的增大而增强。被加速的电子空穴与中性原子发生碰撞产 生出新的电子空穴对。新产生的电子空穴对同样会被电场加速，与中性原子碰撞产生出更多 的电子空穴对。自由载流子浓度在一个雪崩倍增的过程中迅速增大，二极管被击穿。当温度 升高时，载流子在两次散射碰撞之间的平均自由程缩短，要使载流子获得产生电子空穴对所 必需的能量，就要有更强的电场。因此，击穿电压会随着温度的升高而增大，同时反向漏电 流也会随着温度的升高而迅速增大，从而导致 SiGeC 二极管中 350 K 与 400 K 的反向漏电 流曲线会相交。3.2 SiGeC /Si 异质结技术与寿命控制技术对比分析功率二极管快恢复、软恢复特性的提高，传统的方法是借助于寿命控制技术来实现，但 寿命控制技术的缺点是它很难实现反向恢复时间和正向通态压降之间的折衷。当在功率二极 管中引入寿命控制技术时，正向电导调制效应将减弱，二极管的正向压降增大。图 7 为 SiGeC/Si 异质结二极管与 Si 二极管正向通态特性比较曲线，两种结构二极管的 结构参数与前面讨论的相同，只是在 Si 二极管中通过引入寿命控制技术，将其反向恢复时 间调整到与 SiGeC 二极管的反向恢复时间一致（如图 7 中的插图所示）。由图 7 可以看出，在 Si 二极管中引入寿命控制技术提高反向 恢复时间是以牺牲它的正向通态 特性为代价的。SiGeC/Si 异质结二 极管正向电流密度为 1000A/cm2时，它的正向压降为 0.85V，在相3000J (A/cm2)2000SiGeC 二极管Si 寿命控制二极管0.9同的正向电流密度下，引入寿命控 制技术的 Si 二极管的正向压降为1.59V 。相对于寿命控制技术，100000.6I (A)0.30.0-0.3Si 寿命控制二极管SiGeC 二极管1.20E-007 1.80E-007t (s)SiGeC/Si 异质结技术可以很好的实现反向恢复时间和正向通态压 降之间的折衷。图 8 给出了 SiGeC/Si 异质结 二极管与引入寿命控制技术的 Si0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0v (V)图 7 SiGeC 二极管和寿命控制 Si 二极管正向 I-V 特性比较二极管反向阻断特性比较曲线。由图可以看出，Si 二极管的反向漏电流与 SiGeC 二极管的 相比高 3 个数量级。功率快恢复二极管中，由于耗尽区外边缘扩散长度以内载流子的扩散以及耗尽区内载流 子的空间产生，总是会有微小的电流，这就是器件的反向漏电流 IR，它决定着器件工作时的 功率损耗。一般说来，漏电流由反向扩散电流 ID、表面漏电流 IS 和空间电荷区产生电流 IG 三部分组成。I R = I D + I S + IG（3）功率快恢复二极管由于处理的功率较高，结面积和厚度要明显大于普通二极管，因此漏 电流也明显增大，导致器件工作时内部温升较大。在较高温度下表面漏电流和扩散电流要远 远小于空间电荷区产生电流。因此漏电流的主要对象是考虑考虑空间电荷区产生电流。空间电荷区产生电流可以由空间电荷区产生率积分得到WI =Aqni dx = qAwni（4）2G0SC SC其中，SC 为空间电荷产生寿命，ni 为本征载流子浓度，A 为器件的截面积，w 为二极管 n-区的宽度。 由式（4）可以看出，当器件内部0.0 -5.0x10-6SiGeC 二极管Si 寿命控制二极管载流子浓度一定时，除去器件结构J ( A / cm2)参数因素，IG 只与空间电荷区产生R寿命SC 有关，且与其成反比。根据复合中心理论，在普通 Si 二极管中，SC 的大小决定于复合中心的性质，即复合中心能级位置、浓度和俘获截面。复合中心浓度和俘-1.0x10-5-1.5x10-5-2.0x10-5-2.5x10-5-200 -150 -100 -50 0V (V)获截面越大，载流子寿命SC 就越小，漏电流就越大。在 Si 二极管图 8 SiGeC 二极管和寿命控制 Si 二极管反向阻断特性比较中，依靠寿命控制提高器件快恢复软恢复特性时，引入的复合中心越多，载流子寿命SC 就越小，减小反向恢复时间的效果越好，但引起漏电流的上升也就越大，因此在 Si 二极管中，利用少子寿命控制技术缩短反向恢复时间与减小反向漏电流之间存在着不可调和的矛盾，而 SiGeC 二极管通过在器件中引入 SiGeC/Si 异质结结构，利用异质结能带工程很好的解决了 功率二极管中 IR 与 trr 之间的矛盾。4 结论结合异质结能带理论和 SiGeC/Si 异质结能带结构的特点，对掺碳 SiGe 功率二极管的电 流输运机理和器件的反向阻断特性进行了详细研究。与同结构 SiGe 二极管相比，SiGeC 二 极管中 C 的加入大大减小了二极管的反向漏电流，而且击穿电压也有所增加。对比不同温 度下 SiGeC/Si 和 SiGe/Si 两种异质结二极管的温度特性，发现 C 对 SiGe 合金的应变补偿作 用，使得 SiGeC 二极管的热稳定性明显提高。而且随着温度的升高 SiGeC 二极管相对于 SiGe 二极管的优势更加显著。较好的高温特性使得 SiGeC 二极管可以应用到 400K 的高温领域。 与少子寿命控制技术相比，该 SiGeC/Si 异质结二极管有效协调了降低通态电压、减小反向 漏电流、缩短反向恢复时间三者之间的矛盾，更好的满足了高频化电力电子电路对功率二极 管的要求。参考文献1 Fei Zhang, Lina Shi, Chengfang Li, Wen Yu and Xiaowei Sun. A high-power solid-state p+-n-n+ diode for picosecond-range closing switching. Simicond. Sci.Tichnol. 2005, vol.20, p.991-9972 F.Hirose, Y.Souda, K.Nakano, S.Goya, T.Nishimori and S.Okumura. New SiGe Bipolar Transistors and p-i-nDiodes for Power Switching. 2001, Transctions on Electron Devices, vol.48(10), p.2417-24203 Pingping Sun, Parag Upadhyaya, Dong-Ho Jeong, Deukhyoun and George S.La Rue, A Novel SiGe PIN Diode SPST Switch for Broadband T/R Module, IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2007,vol.17(5), p.352-354.4 Gregory Avenier, Sebastien Fregonese and Jessy Bustos. etc. Electrical Behavior and Technology Optimization of Si/SiGeC HBTs on Thin-Film SOI. IEEE Transctions on Electron Devices. 2008,vol.55(2), p.585-593.5 王振民，张芩，薛家祥，黄石生. 快速功率二极管正反向恢复特性仿真研究. 电力电子技术，2007，Vol.41,No.5, p92-946 Liu Jing, Gao Yong, Yang Yuan, Wang Cailin. A Novel Ideal Ohmic Contact SiGeC/Si Power Diode withGradual Changing Doping Concentration. Chinese Journal of Semiconductors, 2007, Vol.28, No.3, p342-348Reverse blocking characteristics simulation and mechanism analysis of SiGe diodes with carbon incorporationGAO Yong, LIU JingDepartment of Electronic Engineering, Xi an University of Technology, Xi an 710048, PRC, (710048)AbstractThe reverse blocking characteristics of SiGe power diodes with carbon incorporation are studied deeply and their mechanisms are also given in detail. Compared to SiGe diodes with the same structures, the thermal stability is improved remarkably, reverse leakage current is reduced largely and breakdown voltage is increased to some extent for SiGeC diodes. The advantages of SiGeC diodes are more obvious at high temperature. Compared to lifetime control technology of minority carrier, the contradictions among decreasing on-state voltage, reducing reverse leakage current and shorting reverse recovery time are coordinated effectively. The high thermal stability of the devices reduces the restrictions on subsequent process and is of benefit to power integration. The device characteristics can be optimized by adjusting Ge and C contents without lifetime control technology, which provides more freedoms for device design.Keywords: power diodes, SiGeC, reverse leakage current, lifetime control