SiC二极管载流子寿命测试

  在具有厚n-电压阻挡层的PiN二极管中,载流子寿命一般通过二极管的开关特性测试。当二极管从输运电流的开态转换到应用反向电压的阻断态时,流过二极管的电流逐渐减小,然后减小到零之前翻转,这与二极管的反向恢复波形相关。反向电流衰减的数量级和范围由n-电压阻挡层的厚度、掺杂浓度、少数载流子寿命,以及二极管转换之前流过二极管的开态电流决定。从电流波形的指数衰减获得n-电压阻挡层中载流子寿命的技术称为电流恢复技术(CRT)或 Lax-Neustadter技术。
 
  但是,当应用SiC二极管时,CRT技术不适用,这是因为假设在PiN二极管的整个n-电压阻挡层中载流子寿命是均匀的。研究表明,接近pn结薄层中的我流子寿命明显比n-电压阻挡层中载流子的寿命低。这个研究结果可以通过一个假设解释,高温生长的重掺杂p+发射极导致了p+n-结附近薄层中载流子寿合明显下降,这是因为薄层中的局部载流子寿命τ^*明显小于其他区域的载流子寿命τp。参考某文献中的少数载流子寿命τp由开路电压哀减技术(OCVD)測得,众所周知,CRT技术给出的是p+n附近的局部载流子寿命。因此,在这种情况下,CRT测得的是τ^*而不是τp。图1显示了4H-SiC二极管脉冲等温伏安特性,其中阳极面积为0.08cm²,n-电压阻挡层厚度为150µm,室温下具有10kV的电压阻挡能力。当j_f=180A/cm³时,二极管微分电阻为rd=dV/djf=1.6×10^-2Ωcm²。,同时,非调制基极的欧姆阻抗为rn=W/qµ_nn_o=0.39Ωcm²,即24倍于µ_n=800cm²/Vs时的实验值,净施主浓度为n_o=Nd-Na=3.0×10¹⁴cm^-3。因此,伏安特性直接显现了高掺杂时的基极调制效应。图1中的插图显示了OCVD过程的电压-时间关系。当t=0时,二极管中通过振幅为If=0.6A的正向脉冲(jf=7.5Acm²),并且与50Ω的负载电阻相连。很容易证明这个jf值能保证基区有很高的注入水平。如图1中所示,在4µs时获得稳态,表明τp的值为1.4~1.8µs。当t=10µs的终止电流之后,所有注入后电压衰减的“经典”阶段都被观察到：①电流终止之后产生了电压的突变；②电压线性衰减；③最后阶段电压指数衰减。高注入水平时,OCVD曲线的简化分析由式(1)给出τp：

式中,dV/dt是电压衰减曲线线性部分的斜率。这种情况下,当T=293K时,τp=1.55µs。   双极扩散长度La定义为:,其中D=Dp2b/(b+1)。D_p是空穴扩散系数,其中b=µ_n/µ_p(µ_n和µ_p分别是电子和室穴的迁移率)。当T=300K时,µ_n=800cm²/Vs，µ_p=100cm²/Vs，D_p=2.5cm²/s,可以计算得出L_a=26µm。
 
  图2显示了利用CRT技术测试当I_f=12mA和I_f=300mA时的电流一时间关系。当I_f=30mA时持续时间为0.4µs,I_f=12mA时,其值为1.1µs。图2包括两条曲线,其中I_f/I_r=5。根据CRT的“经典”理论,如果注入水平低,当I_f/I_r=5情况下,稳定水平持续时间必须等于载流子寿命τp。高注入水平时,即使具有相同的/I比,稳定水平持续时间随l_f增加单调递减。图2展示了当I_f/I_r=5时,稳定水平持续时间对I_f的依赖关系。可见,稳定水平持续时间随I_f增加单调递减,这与理论的预测一致。值得注意的是,当最小电流为12mA时,稳定水平持续时间(1.1µs)略小于由OCVD测得的τp。  
  众所周知,典型的CRT技术应满足以下条件:①注入水平较低;②射极注入系数等于或者非常接近于1。为了提供低的注入水平,应该满足p(0)《n_o。由于注入系数接近于1，p+n-结中的空间电荷区(SCR)复合电流非常低,而且I_rec/I_diff《1。假设p(0)=n₀,可以获得W/L<<1情况下,J_diff和J_rec的表达式为： 式中,n_i是本征载流子浓度;j_ro是空间电荷区中复合电流的指数因子。
 
  当N=3×10¹⁴cm^-3,D_p=2.5cm²/s,τ_p=1.55µs时,条件①在J_diff<<6×10^-2A/cm²(l_diff<<5mA)时得到满足。值得注意的是,数值为12mA的最小电流相当于中等注入水平;数值为300mA的最大电流相当于一个非常高的注入水平。假设   这些公式的计算结果表明:j_ro(n_i=10^-8cm^-3,D_p=2.5cm²/s,τp=1.55µs)小于2×10^-24A/cm²。文献报道的4H-SiC二极管的j_ro值范围为10^-25~10^-22A/cm²。所以当二极管中j_ro接近最小值时,条件②才能得到满足。



上一篇：碳化硅二极管的正向压降与载流子寿命
下一篇：4H-SiC PiN二极管特性