SiC二極管載流子壽命測(cè)試

  在具有厚n-電壓阻擋層的PiN二極管中,載流子壽命一般通過二極管的開關(guān)特性測(cè)試。當(dāng)二極管從輸運(yùn)電流的開態(tài)轉(zhuǎn)換到應(yīng)用反向電壓的阻斷態(tài)時(shí),流過二極管的電流逐漸減小,然后減小到零之前翻轉(zhuǎn),這與二極管的反向恢復(fù)波形相關(guān)。反向電流衰減的數(shù)量級(jí)和范圍由n-電壓阻擋層的厚度、摻雜濃度、少數(shù)載流子壽命,以及二極管轉(zhuǎn)換之前流過二極管的開態(tài)電流決定。從電流波形的指數(shù)衰減獲得n-電壓阻擋層中載流子壽命的技術(shù)稱為電流恢復(fù)技術(shù)(CRT)或 Lax-Neustadter技術(shù)。
 
  但是,當(dāng)應(yīng)用SiC二極管時(shí),CRT技術(shù)不適用,這是因?yàn)榧僭O(shè)在PiN二極管的整個(gè)n-電壓阻擋層中載流子壽命是均勻的。研究表明,接近pn結(jié)薄層中的我流子壽命明顯比n-電壓阻擋層中載流子的壽命低。這個(gè)研究結(jié)果可以通過一個(gè)假設(shè)解釋,高溫生長(zhǎng)的重?fù)诫sp+發(fā)射極導(dǎo)致了p+n-結(jié)附近薄層中載流子壽合明顯下降,這是因?yàn)楸又械木植枯d流子壽命τ^*明顯小于其他區(qū)域的載流子壽命τp。參考某文獻(xiàn)中的少數(shù)載流子壽命τp由開路電壓哀減技術(shù)(OCVD)測(cè)得,眾所周知,CRT技術(shù)給出的是p+n附近的局部載流子壽命。因此,在這種情況下,CRT測(cè)得的是τ^*而不是τp。圖1顯示了4H-SiC二極管脈沖等溫伏安特性,其中陽(yáng)極面積為0.08cm²,n-電壓阻擋層厚度為150µm,室溫下具有10kV的電壓阻擋能力。當(dāng)j_f=180A/cm³時(shí),二極管微分電阻為rd=dV/djf=1.6×10^-2?cm²。,同時(shí),非調(diào)制基極的歐姆阻抗為rn=W/qµ_nn_o=0.39?cm²,即24倍于µ_n=800cm²/Vs時(shí)的實(shí)驗(yàn)值,凈施主濃度為n_o=Nd-Na=3.0×10¹⁴cm^-3。因此,伏安特性直接顯現(xiàn)了高摻雜時(shí)的基極調(diào)制效應(yīng)。圖1中的插圖顯示了OCVD過程的電壓-時(shí)間關(guān)系。當(dāng)t=0時(shí),二極管中通過振幅為If=0.6A的正向脈沖(jf=7.5Acm²),并且與50?的負(fù)載電阻相連。很容易證明這個(gè)jf值能保證基區(qū)有很高的注入水平。如圖1中所示,在4µs時(shí)獲得穩(wěn)態(tài),表明τp的值為1.4~1.8µs。當(dāng)t=10µs的終止電流之后,所有注入后電壓衰減的“經(jīng)典”階段都被觀察到：①電流終止之后產(chǎn)生了電壓的突變；②電壓線性衰減；③最后階段電壓指數(shù)衰減。高注入水平時(shí),OCVD曲線的簡(jiǎn)化分析由式(1)給出τp：

式中,dV/dt是電壓衰減曲線線性部分的斜率。這種情況下,當(dāng)T=293K時(shí),τp=1.55µs。   雙極擴(kuò)散長(zhǎng)度La定義為:,其中D=Dp2b/(b+1)。D_p是空穴擴(kuò)散系數(shù),其中b=µ_n/µ_p(µ_n和µ_p分別是電子和室穴的遷移率)。當(dāng)T=300K時(shí),µ_n=800cm²/Vs，µ_p=100cm²/Vs，D_p=2.5cm²/s,可以計(jì)算得出L_a=26µm。
 
  圖2顯示了利用CRT技術(shù)測(cè)試當(dāng)I_f=12mA和I_f=300mA時(shí)的電流一時(shí)間關(guān)系。當(dāng)I_f=30mA時(shí)持續(xù)時(shí)間為0.4µs,I_f=12mA時(shí),其值為1.1µs。圖2包括兩條曲線,其中I_f/I_r=5。根據(jù)CRT的“經(jīng)典”理論,如果注入水平低,當(dāng)I_f/I_r=5情況下,穩(wěn)定水平持續(xù)時(shí)間必須等于載流子壽命τp。高注入水平時(shí),即使具有相同的/I比,穩(wěn)定水平持續(xù)時(shí)間隨l_f增加單調(diào)遞減。圖2展示了當(dāng)I_f/I_r=5時(shí),穩(wěn)定水平持續(xù)時(shí)間對(duì)I_f的依賴關(guān)系?？梢?穩(wěn)定水平持續(xù)時(shí)間隨I_f增加單調(diào)遞減,這與理論的預(yù)測(cè)一致。值得注意的是,當(dāng)最小電流為12mA時(shí),穩(wěn)定水平持續(xù)時(shí)間(1.1µs)略小于由OCVD測(cè)得的τp。  
  眾所周知,典型的CRT技術(shù)應(yīng)滿足以下條件:①注入水平較低;②射極注入系數(shù)等于或者非常接近于1。為了提供低的注入水平,應(yīng)該滿足p(0)《n_o。由于注入系數(shù)接近于1，p+n-結(jié)中的空間電荷區(qū)(SCR)復(fù)合電流非常低,而且I_rec/I_diff《1。假設(shè)p(0)=n₀,可以獲得W/L<<1情況下,J_diff和J_rec的表達(dá)式為： 式中,n_i是本征載流子濃度;j_ro是空間電荷區(qū)中復(fù)合電流的指數(shù)因子。
 
  當(dāng)N=3×10¹⁴cm^-3,D_p=2.5cm²/s,τ_p=1.55µs時(shí),條件①在J_diff<<6×10^-2A/cm²(l_diff<<5mA)時(shí)得到滿足。值得注意的是,數(shù)值為12mA的最小電流相當(dāng)于中等注入水平;數(shù)值為300mA的最大電流相當(dāng)于一個(gè)非常高的注入水平。假設(shè)   這些公式的計(jì)算結(jié)果表明:j_ro(n_i=10^-8cm^-3,D_p=2.5cm²/s,τp=1.55µs)小于2×10^-24A/cm²。文獻(xiàn)報(bào)道的4H-SiC二極管的j_ro值范圍為10^-25~10^-22A/cm²。所以當(dāng)二極管中j_ro接近最小值時(shí),條件②才能得到滿足。



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