SIC SBD碳化硅二极管用途

  SIC肖特基二极管除了在高频功率电子方面应用外，还有其他用途，如气敏传感器、微波电路、紫外线探测器。本文将简单讨论SIC SBD在这些领域的应用。
 
  1. SIC SBD气敏传感器
  随着环境排放气体和其他化学物质的不断增加，要求研究人员开发更先进的气敏传感器。
人们对于SIC气敏传感器在汽车和飞机燃料泄露探测、火灾探测、排气诊断及工业辐射等方面的应用非常感兴趣。由于SIC半导体禁带很宽，与传统的Si半导体器件相比，可以在很高的温度下稳定工作。简单的SIC肖特基二极管或场效应晶体管对许多气体都很敏感，如氢、碳氢化合物、氧等。有文献报道了具有钯栅极的SIC SBD气敏传感器，它可以工作在550℃以上。
  氢原子可以从氢分子中分离，扩散通过薄金属层后，在金属-半导体界面形成极化层。这些极化层改变了肖特基接触势垒高度，可以使二极管I-V曲线向低电压方向漂移。图1给出了对于环境气体典型响应的I-V曲线，可以看出I-V曲线明显漂移，所以很容易用于电路探测。这种SIC SBD气敏传感器也可以用于探测一氧化碳(CO)，而且气敏传感器的响应时间在毫秒量级。
  SIC材料的另一个吸引人的特性是，这种宽禁带材料气敏传感器可以与高温电子器件集成在同一个芯片上。

 
  2. SIC SBD微波应用
  SIC SBD在微波应用中主要涉及一些需要高压、高功率的场合，如限幅器、高级混频器等。
  SIC SBD在混频器电路中用做变阻器，其截止频率可表示为： 式中，j0为零偏结电容；Rs是器件的串联电阻。截止频率是这种应用中的优值系数。与式(1)相似，当满足高压应用时，SIC SBD可以表现出比传统的Si和GaAs材料更优越的性能。
  图2给出了以4H-SIC物理参数并经过理论计算得到的一系列圆形4H-SIC SBDs优化曲线。有文献报道了第一个SiC SBD混频器，这种混频器制作在厚度为0.4μm、掺杂浓度为4 ×10¹⁷cm^-3的4H-SIC衬底上，并以Au/Ti作为肖特基接触金属，有效区面积为(40×40)μm²。还有厚度为0.38μm、漂移区掺杂浓度为2.8×10¹⁷cm^-3的SIC SBD。由于大欧姆接触电阻的限制，只能设计应用于较低频率，制造的二极管在800MHz时的最低转换损耗为5.2dB。  
  3. SIC SBD紫外探测器
  SIC SBD也被用作辐射探测器，如探测紫外光、中子和其他物质。
  随着环境污染日益严重，精确测量紫外辐射已经越来越重要。Si紫外探测器的主要缺点是，为了消除可见光和远红外光的渗入，需要增加辅助的射线滤波，这将影响探测器的精度。4H-SIC的禁带宽度为3.2eV，这就意味着SIC探测器只能响应380nm及其以下的光线。从可见光到远红外较长波长的光线不能跨过禁带，SIC对这些波长的光线不敏感，因此也就不需要增加辅助的射线滤波，这也正是实际中在可见和远红外光背景下，应用SIC作为紫外探测器的优势。此外，作为宽禁带半导体材料，制作在SIC上的SBD有非常低的漏电流，可以有效增加器件的灵敏度。
  SIC SBD紫外探测器的探测灵敏度比Si光探测器高几个数量级，其数值已经接近光电倍增管的探测灵敏度。这些紫外探测器以肖特基二极管结构为基础，在3.7μm厚的n型4H-SiC(3×10¹⁴~3×10¹⁵cm^-3)上沉积一层半透明Pt(75A)，分别制备了有效面积为0.25mm×0.25mm、2.0mm×2.0mm、5.0mm×5.0mm和1.0cm×1.0cm的肖特基光敏二极管。研究表明这种光敏二极管具有非常低的漏电流。其中5.0mm×5.0mm器件在偏压为-1V时的漏电流小于1.2×10^-14A。图3给出了SIC光敏二极管在200～400nm光谱范围内的量子效率。与GaN不同，4H-SIC是间接带隙半导体材料，在波段边缘没有明显的终止边界。当波长减小时，吸收系数从385nm逐渐减小。因此，4H-SIC肖特基二极管的量子效率从380nm的0.1%逐渐增加到300nm的37%。最大量子效率约为37%，在240～300nm时几乎为常数。
  SIC SBD紫外探测器的灵敏度是可以估算的。零偏压时，探测器的噪声以约翰逊噪声为主。比探测率D^*是评估光电探测器灵敏度的一个常用的优值系数，当约翰逊噪声起主要作用时比探测率可以定义为。 式中，η是量子效率；h是普朗克常量；v是辐射频率；R₀为零偏动态电阻；A为探测器的面积。
  图4是根据直接测量结果计算得到的5mmx5mm 4H-SIC肖特基光敏二极管的比探测率D^*与其他常用光探测器的比较情况。4H-SIC肖特基光敏二极管在300nm时达到最大灵敏度3.6 ×10¹⁵cmHz^1/2/W，在210～350nm范围时的灵敏度在10¹⁵cmHz^1/2/W以上。这种最高水平探测器的灵敏度比Si光电二极管高出两个数量级，比Si CCD的D^*高三个数量级。  
  由于碳化硅材料表面具有很多不同缺陷，将使器件的势垒高度不均匀，从而限制SIC SBD的灵敏度。实际制造的器件中，有效的SBH要明显低于Pt/4H-SIC的2.0eV理论值。然而随着缺陷密度的减少和材料质量的改进，SBD的漏电流将进一步减少，灵敏度进一步提高。


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