碳化硅二極管的正向壓降與載流子壽命

  為了使4H- SIC PIN二極管中獲得低的正向壓降,重要的是在厚SiC外延層中實(shí)現(xiàn)高載流子壽命。對于設(shè)計(jì)一定的擊穿電壓(決定了本征層厚度),外延生長需要提供本征層中所要求的載流子壽命,用以獲得低的開態(tài)電壓。決定厚外延層中載流子壽命的關(guān)鍵限制因素包括:①外延層補(bǔ)償摻雜的種類;②金屬雜質(zhì);③生長過程及之后的外延層形貌;④外延層厚度和摻雜度的均勻性。對于二極管中極厚的外延層,使用了熱壁外延反應(yīng)器。通過這些反應(yīng)器,可以獲得更高的載流子壽命。PiN二極管開啟電壓包括的主要成分如下：

式中,V_F是PiN二極管的開啟電壓;V_P⁺_Cont接觸電阻壓降;V_M是中間區(qū)域(本征區(qū))壓降；V_P⁺_N^-和V_N⁺_N^-分別是p⁺n^-結(jié)和n⁺n^-結(jié)上的壓降;V_Subs是襯底的電阻壓降。本征層壓降(V_M)由PiN二極管的本征層載流子調(diào)制范圍決定。通過近似,本征層壓降與載流子壽命之間的關(guān)系可由式(2)給出 式中,k和T是玻耳茲曼常數(shù)和工作溫度;L_a是雙極擴(kuò)散長度,由式決定;D_a是雙極擴(kuò)散常數(shù),得自式;而τ_HL是高摻雜時(shí)的載流子壽命;雙極載流子遷移率µa來自式,此處的µn和µp是電壓阻擋層中少數(shù)載流子電子和空穴的遷移率。  
  V_P⁺_N^-和V_N⁺_N取決于n^-層兩端少數(shù)載流子濃度。詳細(xì)的壓降分析需要一個(gè)容易計(jì)算的迭代方程。假設(shè)一個(gè)合理的高注入水平,壓降的總和可以近似估算等于SiC p⁺n⁺結(jié)開啟電壓。在PiN二極管中,阻性壓降(如V_Subs和V_P⁺_Cont)不能忽略,這是因?yàn)榕c多數(shù)載流子器件(如肖特基二極管)相比,流過器件的電流密度很大。圖2顯示了PiN正向壓降與載流子壽命以及外延層厚度之間的關(guān)系。圖2說明了更高的載流子壽命可以產(chǎn)生更好的電導(dǎo)調(diào)制,而且正向壓降接近p⁺n⁺結(jié)內(nèi)建壓降。所以,若要獲得PiN二極管更低的正向壓降,需要更厚的外延層厚度和更高的載流子壽命。但是,當(dāng)載流子壽命遠(yuǎn)大于3µs時(shí),即使外延層厚度達(dá)到150µm還是可以很好的調(diào)制,這是因?yàn)楸菊鲄^(qū)壓降與二極管的總壓降相比可以忽略。因?yàn)樵谙嗤膿舸╇妷悍秶?SiC的載流子壽命比Si器件的小兩個(gè)數(shù)量級(jí),所以SiC可以提供極高的開關(guān)速度。


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