碳化硅二极管的正向压降与载流子寿命

  为了使4H- SIC PIN二极管中获得低的正向压降,重要的是在厚SiC外延层中实现高载流子寿命。对于设计一定的击穿电压(决定了本征层厚度),外延生长需要提供本征层中所要求的载流子寿命,用以获得低的开态电压。决定厚外延层中载流子寿命的关键限制因素包括:①外延层补偿掺杂的种类;②金属杂质;③生长过程及之后的外延层形貌;④外延层厚度和掺杂度的均匀性。对于二极管中极厚的外延层,使用了热壁外延反应器。通过这些反应器,可以获得更高的载流子寿命。PiN二极管开启电压包括的主要成分如下：

式中,V_F是PiN二极管的开启电压;V_P⁺_Cont接触电阻压降;V_M是中间区域(本征区)压降；V_P⁺_N^-和V_N⁺_N^-分别是p⁺n^-结和n⁺n^-结上的压降;V_Subs是衬底的电阻压降。本征层压降(V_M)由PiN二极管的本征层载流子调制范围决定。通过近似,本征层压降与载流子寿命之间的关系可由式(2)给出 式中,k和T是玻耳兹曼常数和工作温度;L_a是双极扩散长度,由式决定;D_a是双极扩散常数,得自式;而τ_HL是高掺杂时的载流子寿命;双极载流子迁移率µa来自式,此处的µn和µp是电压阻挡层中少数载流子电子和空穴的迁移率。  
  V_P⁺_N^-和V_N⁺_N取决于n^-层两端少数载流子浓度。详细的压降分析需要一个容易计算的迭代方程。假设一个合理的高注入水平,压降的总和可以近似估算等于SiC p⁺n⁺结开启电压。在PiN二极管中,阻性压降(如V_Subs和V_P⁺_Cont)不能忽略,这是因为与多数载流子器件(如肖特基二极管)相比,流过器件的电流密度很大。图2显示了PiN正向压降与载流子寿命以及外延层厚度之间的关系。图2说明了更高的载流子寿命可以产生更好的电导调制,而且正向压降接近p⁺n⁺结内建压降。所以,若要获得PiN二极管更低的正向压降,需要更厚的外延层厚度和更高的载流子寿命。但是,当载流子寿命远大于3µs时,即使外延层厚度达到150µm还是可以很好的调制,这是因为本征区压降与二极管的总压降相比可以忽略。因为在相同的击穿电压范围,SiC的载流子寿命比Si器件的小两个数量级,所以SiC可以提供极高的开关速度。


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