SIC SBD碳化硅二極管用途

  SIC肖特基二極管除了在高頻功率電子方面應(yīng)用外，還有其他用途，如氣敏傳感器、微波電路、紫外線探測器。本文將簡單討論SIC SBD在這些領(lǐng)域的應(yīng)用。
 
  1. SIC SBD氣敏傳感器
  隨著環(huán)境排放氣體和其他化學(xué)物質(zhì)的不斷增加，要求研究人員開發(fā)更先進(jìn)的氣敏傳感器。
人們對于SIC氣敏傳感器在汽車和飛機(jī)燃料泄露探測、火災(zāi)探測、排氣診斷及工業(yè)輻射等方面的應(yīng)用非常感興趣。由于SIC半導(dǎo)體禁帶很寬，與傳統(tǒng)的Si半導(dǎo)體器件相比，可以在很高的溫度下穩(wěn)定工作。簡單的SIC肖特基二極管或場效應(yīng)晶體管對許多氣體都很敏感，如氫、碳?xì)浠衔?、氧等。有文獻(xiàn)報(bào)道了具有鈀柵極的SIC SBD氣敏傳感器，它可以工作在550℃以上。
  氫原子可以從氫分子中分離，擴(kuò)散通過薄金屬層后，在金屬-半導(dǎo)體界面形成極化層。這些極化層改變了肖特基接觸勢壘高度，可以使二極管I-V曲線向低電壓方向漂移。圖1給出了對于環(huán)境氣體典型響應(yīng)的I-V曲線，可以看出I-V曲線明顯漂移，所以很容易用于電路探測。這種SIC SBD氣敏傳感器也可以用于探測一氧化碳(CO)，而且氣敏傳感器的響應(yīng)時(shí)間在毫秒量級。
  SIC材料的另一個(gè)吸引人的特性是，這種寬禁帶材料氣敏傳感器可以與高溫電子器件集成在同一個(gè)芯片上。

 
  2. SIC SBD微波應(yīng)用
  SIC SBD在微波應(yīng)用中主要涉及一些需要高壓、高功率的場合，如限幅器、高級混頻器等。
  SIC SBD在混頻器電路中用做變阻器，其截止頻率可表示為： 式中，j0為零偏結(jié)電容；Rs是器件的串聯(lián)電阻。截止頻率是這種應(yīng)用中的優(yōu)值系數(shù)。與式(1)相似，當(dāng)滿足高壓應(yīng)用時(shí)，SIC SBD可以表現(xiàn)出比傳統(tǒng)的Si和GaAs材料更優(yōu)越的性能。
  圖2給出了以4H-SIC物理參數(shù)并經(jīng)過理論計(jì)算得到的一系列圓形4H-SIC SBDs優(yōu)化曲線。有文獻(xiàn)報(bào)道了第一個(gè)SiC SBD混頻器，這種混頻器制作在厚度為0.4μm、摻雜濃度為4 ×10¹⁷cm^-3的4H-SIC襯底上，并以Au/Ti作為肖特基接觸金屬，有效區(qū)面積為(40×40)μm²。還有厚度為0.38μm、漂移區(qū)摻雜濃度為2.8×10¹⁷cm^-3的SIC SBD。由于大歐姆接觸電阻的限制，只能設(shè)計(jì)應(yīng)用于較低頻率，制造的二極管在800MHz時(shí)的最低轉(zhuǎn)換損耗為5.2dB。  
  3. SIC SBD紫外探測器
  SIC SBD也被用作輻射探測器，如探測紫外光、中子和其他物質(zhì)。
  隨著環(huán)境污染日益嚴(yán)重，精確測量紫外輻射已經(jīng)越來越重要。Si紫外探測器的主要缺點(diǎn)是，為了消除可見光和遠(yuǎn)紅外光的滲入，需要增加輔助的射線濾波，這將影響探測器的精度。4H-SIC的禁帶寬度為3.2eV，這就意味著SIC探測器只能響應(yīng)380nm及其以下的光線。從可見光到遠(yuǎn)紅外較長波長的光線不能跨過禁帶，SIC對這些波長的光線不敏感，因此也就不需要增加輔助的射線濾波，這也正是實(shí)際中在可見和遠(yuǎn)紅外光背景下，應(yīng)用SIC作為紫外探測器的優(yōu)勢。此外，作為寬禁帶半導(dǎo)體材料，制作在SIC上的SBD有非常低的漏電流，可以有效增加器件的靈敏度。
  SIC SBD紫外探測器的探測靈敏度比Si光探測器高幾個(gè)數(shù)量級，其數(shù)值已經(jīng)接近光電倍增管的探測靈敏度。這些紫外探測器以肖特基二極管結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，在3.7μm厚的n型4H-SiC(3×10¹⁴~3×10¹⁵cm^-3)上沉積一層半透明Pt(75A)，分別制備了有效面積為0.25mm×0.25mm、2.0mm×2.0mm、5.0mm×5.0mm和1.0cm×1.0cm的肖特基光敏二極管。研究表明這種光敏二極管具有非常低的漏電流。其中5.0mm×5.0mm器件在偏壓為-1V時(shí)的漏電流小于1.2×10^-14A。圖3給出了SIC光敏二極管在200～400nm光譜范圍內(nèi)的量子效率。與GaN不同，4H-SIC是間接帶隙半導(dǎo)體材料，在波段邊緣沒有明顯的終止邊界。當(dāng)波長減小時(shí)，吸收系數(shù)從385nm逐漸減小。因此，4H-SIC肖特基二極管的量子效率從380nm的0.1%逐漸增加到300nm的37%。最大量子效率約為37%，在240～300nm時(shí)幾乎為常數(shù)。
  SIC SBD紫外探測器的靈敏度是可以估算的。零偏壓時(shí)，探測器的噪聲以約翰遜噪聲為主。比探測率D^*是評估光電探測器靈敏度的一個(gè)常用的優(yōu)值系數(shù)，當(dāng)約翰遜噪聲起主要作用時(shí)比探測率可以定義為。 式中，η是量子效率；h是普朗克常量；v是輻射頻率；R₀為零偏動態(tài)電阻；A為探測器的面積。
  圖4是根據(jù)直接測量結(jié)果計(jì)算得到的5mmx5mm 4H-SIC肖特基光敏二極管的比探測率D^*與其他常用光探測器的比較情況。4H-SIC肖特基光敏二極管在300nm時(shí)達(dá)到最大靈敏度3.6 ×10¹⁵cmHz^1/2/W，在210～350nm范圍時(shí)的靈敏度在10¹⁵cmHz^1/2/W以上。這種最高水平探測器的靈敏度比Si光電二極管高出兩個(gè)數(shù)量級，比Si CCD的D^*高三個(gè)數(shù)量級。  
  由于碳化硅材料表面具有很多不同缺陷，將使器件的勢壘高度不均勻，從而限制SIC SBD的靈敏度。實(shí)際制造的器件中，有效的SBH要明顯低于Pt/4H-SIC的2.0eV理論值。然而隨著缺陷密度的減少和材料質(zhì)量的改進(jìn)，SBD的漏電流將進(jìn)一步減少，靈敏度進(jìn)一步提高。


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