温度对SiGe/Si异质结功率二极管电学特性的影响(英文)

在考虑到各种物理机制如载流子-载流子散射、俄歇复合、禁带窄化效应及结温效应等的基础上,数值模拟分析了SiGe/Si功率开关二极管的各种温度依赖特性。对Si和SiGe/Si功率二极管而言,温度对器件的正向压降VF、反向击穿电压VB以及反向漏电流JR的影响规律基本相似,即随着温度的升高,正向压降降低,击穿电压增加,反向漏电流迅速提高。然而在相同的温度下,与Si功率开关二极管相比,SiGe/Si二极管(20%Ge含量)的正向压降降低了近0.1V(在正向电流密度10A/cm2的情况下),反向恢复时间缩短了一半以上,反向峰值电流密度也下降了约三分之一,软度因子S提高了2倍多。SiGe二极管的另外一个重要优点是其反向恢复特性受温度影响很小。当温度从300K增加到400K时,Si功率二极管的反向恢复时间增加了近1倍,而SiGe/Si二极管(20%Ge含量)的反向恢复时间基本保持不变。SiGe/Si功率开关二极管的一个缺点是在高温下产生较大的漏电流,但这可以通过适当降低Ge含量来改善。Ge的引入为器件设计提供了更大的自由度,其含量对器件特性有重要影响。为了获得低的正向压降和短的反向恢复时间,应该提高Ge的含量,但Ge含量增加将导致大的漏电流,因此Ge含量的大小应该优化折衷考虑。     

SiGeC/Si异质结二极管特性分析与优化设计

基于异质结理论,提出了一种新型p+(SiGeC)-n--n+异质结功率二极管结构。分析了C对SiGe合金的应变补偿作用的物理机理。利用MEDICI模拟、对比分析了C的引入对器件电特性的影响,并针对不同Ge/C组分比进行优化设计。结果表明:在SiGe/Si功率二极管中加入少量的C,在基本不影响器件正向I-V特性和反向恢复特性的前提下,大大减少了器件的反向漏电流,提高了器件稳定性,而且对于一定的Ge含量存在一个C的临界值,使得二极管具有最小的反向漏电流,该临界值的提出,对研究其它结构SiGeC/Si异质结半导体器件有一定的参考意义。     

超低漏电流超快恢复SiGeC功率二极管研究

 提出一种超低漏电流超快恢复SiGeC p-i-n二极管结构.基于异质结电流输运机制,该SiGeC二极管实现了低通态压降下高电流密度的传输,改善了二极管的反向恢复特性,同时具有较低的反向漏电流.与少子寿命控制技术相比,该器件有效协调了降低通态电压、减小反向漏电流、缩短反向恢复时间三者之间的矛盾.对不同温度下器件反向恢复特性研究结果表明,SiGeC二极管的反向恢复时间与同结构SiGe二极管相比,350K时缩短了1/3,400K时缩短了40%以上,器件的热稳定性显著提高,降低了对器件后续制作工艺的限制,有益于功率集成.     

SiGeC/Si功率二极管的数值模拟与分析

将SiGeC技术应用于功率半导体器件的特性改进,提出了一种新型p (SiGeC)-n--n 异质结功率二极管结构.在分析SiGeC合金材料物理特性的基础上,给出了该结构的关键物理参数模型,并在此基础上利用MEDICI模拟,对比分析了C的引入对器件各种电特性的影响.此外,还模拟比较了不同p 区厚度对器件反向漏电流的影响.结果表明:在SiGe/Si功率二极管中加入少量的C,在基本不影响器件正向I-V特性和反向恢复特性的前提下,大大减少了器件的反向漏电流,并且C的加入还减小了器件特性对材料临界厚度的依赖性,提高了器件稳定性.     

SiGeC/Si功率二极管的数值模拟与分析

将SiGeC技术应用于功率半导体器件的特性改进,提出了一种新型p+(SiGeC)-n--n+异质结功率二极管结构.在分析SiGeC合金材料物理特性的基础上,给出了该结构的关键物理参数模型,并在此基础上利用MEDICI模拟,对比分析了C的引入对器件各种电特性的影响.此外,还模拟比较了不同p+区厚度对器件反向漏电流的影响.结果表明:在SiGe/Si功率二极管中加入少量的C,在基本不影响器件正向I-V特性和反向恢复特性的前提下,大大减少了器件的反向漏电流,并且C的加入还减小了器件特性对材料临界厚度的依赖性,提高了器件稳定性.     

一种超结高压肖特基势垒二极管

改善反向击穿电压和正向导通电阻之间的矛盾关系一直以来都是功率半导体器件的研究热点之一。介绍了一种超结肖特基势垒二极管(SJ-SBD),将p柱和n柱交替构成的超结结构引入肖特基势垒二极管中作为耐压层,在保证正向导通电阻足够低的同时提高了器件的反向耐压。在工艺上通过4次n型外延和4次选择性p型掺杂实现了超结结构。基于相同的外延层厚度和相同的外延层杂质浓度分别设计和实现了常规SBD和SJ-SBD,测试得到常规SBD的最高反向击穿电压为110 V,SJ-SBD的最高反向击穿电压为229 V。实验结果表明,以超结结构作为SBD的耐压层能保证正向压降等参数不变的同时有效提高击穿电压,且当n柱和p柱中的电荷量相等时SJ-SBD的反向击穿电压最高。     

快速软恢复SiGe功率开关二极管的结构设计与特性分析

为了进一步提高SiGe/Si异质结功率开关二极管的性能,提出了一种SiGe功率开关二极管的新结构,用交替的p 、n 区形成的mosaic结构来代替原常规的n 区,关断时可同时为电子和空穴的抽取提供通道使阴极具有理想欧姆接触.该结构可大大提高开关速度,并获得很软的反向恢复特性及很低的漏电流.与常规p (SiGe)-n--n 功率开关二极管相比,反向恢复时间缩短了近2/3,反向峰值电流降低了约1/2,漏电流降低了约1个数量级.另外,嵌镶结构中p 区的厚度对器件性能有很大影响,调整p 区的厚度可实现器件的反向耐压能力和反向恢复特性之间很好的折衷.这种性能的改进无需采用少子寿命控制技术因而很容易集成于功率IC中.     

应变Si/SiGe沟道功率UMOSFET的模拟分析

提出一种应变Si/SiGe UMOSFET结构,并与Si-UMOSFET器件的电流-电压特性进行比较;对SiGe区域在UMOSFET器件中的不同厚度值进行静态电学仿真。应变Si/SiGe异质结能够有效地提高沟道区载流子的迁移率,增大IDS,降低Vth及器件的Ron;且应变异质结与载流子有效传输沟道距离的大小,对器件的Vth、Isat、V(BR)DSS及电流-电压特性都有较大的影响。因此在满足击穿电压要求的基础上,应变Si/SiGe沟道异质结的UMOSFET相对Si-UMOSFET在I-V特性和Ron方面有较大的改进。     

一种新型SGOI SiGe异质结双极型晶体管

为了改善SiGe异质结双极型晶体管(HBT)的电学特性和频率特性,设计了一种新型的SGOI SiGe HBT。在发射区引入了双轴张应变Si层。多晶Si与应变Si双层组合的发射区有利于提高器件的注入效率。利用Silvaco TCAD软件建立了二维器件结构模型,模拟了器件的工艺流程,并对器件的电学特性和频率特性进行了仿真分析。结果表明,与传统的SiGe HBT相比,新型SGOI SiGe HBT的电流增益β、特征频率fT等参数得到明显改善,在基区Ge组分均匀分布的情况下,β提高了29倍,fT提高了39.9%。     

一种基于肖特基二极管的逆导型SOI-LIGBT

提出了一种逆导型(RC)SOI-LIGBT。通过在LIGBT阳极发射结反向并联一个肖特基二极管,在没有增大LIGBT正向导通压降的情况下,消除了传统阳极短路RC-LIGBT在正向导通时的电压折回效应。通过二维仿真软件对器件稳态、瞬态的电学特性进行了分析。仿真结果表明,与传统的SOI-LIGBT、续流二极管相比,该RC-LIGBT具有更高的击穿电压,且击穿电压不受阳极掺杂浓度的影响。该器件的反向恢复电荷减小了15.2%,软度因子提高一倍以上。     

一种新型渐变掺杂理想欧姆接触SiGeC/Si功率二极管

将新器件结构与新型半导体材料相结合,提出了一种新型的n-区三层渐变掺杂理想欧姆接触型p+(SiGeC)-n-n+异质结功率二极管,并对n-区的杂质分布梯度进行了优化.基于MEDICI,给出了该结构的关键物理参数模型,并在此基础上对新结构的设计思路和工作原理进行了全面分析.结果表明,与常规理想欧姆接触结构相比,该新结构在保持快而软反向恢复特性的前提下,反向阻断电压增加了近一倍,而且正向通态特性也有所改善,很好地实现了功率二极管中Qs-Vf-Ir三者的良好折中.     

新型SiGe/Si异质结开关功率二极管的特性分析及优化设计

将SiGe技术应用于功率半导体器件的特性改进,提出了新型Si Ge/Si异质结p-i-n开关功率二极管结构,在分析器件结构机理的基础上,用Medici模拟了该器件的特性并进行了优化设计.结果表明,该功率二极管具有低的正向压降,较少的存贮电荷,其性能远远超过Si的同类型结构.这种性能的改进无需采用少子寿命控制技术,因而很容易集成于功率IC中.     

一种新型渐变掺杂理想欧姆接触SiGeC/Si功率二极管

将新器件结构与新型半导体材料相结合,提出了一种新型的n-区三层渐变掺杂理想欧姆接触型p (SiGeC)-n-n 异质结功率二极管,并对n-区的杂质分布梯度进行了优化.基于MEDICI,给出了该结构的关键物理参数模型,并在此基础上对新结构的设计思路和工作原理进行了全面分析.结果表明,与常规理想欧姆接触结构相比,该新结构在保持快而软反向恢复特性的前提下,反向阻断电压增加了近一倍,而且正向通态特性也有所改善,很好地实现了功率二极管中Qs-Vf-Ir三者的良好折中.     

一种新型n-区多层渐变掺杂SiGe/Si功率开关二极管

n^-区掺杂浓度采用多层渐变式结构的p^ (SiC．e)-n^--n^ 异质结功率二极管。对该新结构的反向恢复特性及正反向I-V特性进行了模拟,从器件运行机理上对模拟结果做出了详细的分析。与n^-区固定掺杂的普通p^ (SiGe)-n^--n^ 二极管相比。在正向压降基本不发生变化的前提下,渐变掺杂后的器件反向恢复时间可缩短一半,反向峰值电流能降低33％,反向恢复软度因子可提高1．5倍。并且,随着n^-区渐变掺杂的层数增多,反向恢复特性越好。     

Variation of minority carrier lifetime with level of injection in p-n-junction devices

Minority-carrier lifetime as a function of level of injection has been measured for a number of Si and Ge p-n-junction diodes using reverse recovery and forward current-induced voltage decay methods. It is found that the lifetime always increases with injection level if the effect of the finite thickness of the base of the diode is taken into account while interpreting the experimental results. The decrease in the life-time values reported in the literature appears to be due to erroneous interpretation of the experimental data.     

SiGeC异质结功率二极管通态特性研究

研究了一种大功率低功耗p+(SiGeC)-n--n+异质结二极管结构,分析了Ge、C含量对器件正向通态特性的影响。结果表明:与常规的Si p-i-n二极管相比,在正向电流密度不超过1000 A/cm2情况下,p+(SiGeC)-n--n+二极管的正向压降有明显的降低。当电流密度为10 A/cm2时,Si p-i-n二极管的压降为0.655 V,而SiGeC异质结二极管的压降只有0.525 V,大大降低了器件的通态功耗。在相同正向电流密度的条件下,SiGeC异质结二极管在n-区存储的载流子比Si二极管的减少了1个数量级以上,这导致前者的关断时间远小于后者。     

AlGaAs and GaAsP high-power ultrafast p+-n-n+diodes based on heterojunctions and a graded-gap base

The authors present a theoretical model of power p⁺-n-n ⁺ diodes with a graded-gap base and either homojunctions (GB) or heterojunctions (HGB), and numerical calculations of static and dynamic characteristics of AlGaAs (GaAsP) based structures. It is shown that HGB diodes will exhibit characteristics and properties significantly better than those of simple (homojunctions plus uniform base) GaAs and Si diodes. For example, the forward voltage drop in a high-voltage (W/L_p=13) high-frequency (t_rr=25 ns) HGB diode will be 50% and 300% smaller than the drop in, respectively, simple GaAs and Si diodes with the same W/L_p and t_rr. Other significant projected improvements include operation up to 450°C, an order of magnitude reduction in the reverse current, and a 50% increase in the breakdown voltage     

Dynamics of reverse recovery of high-power P-i-N diodes

The reverse recovery of high-power P-i-N diodes is studied under resistive (step recovery) and inductive (ramp recovery) switching conditions. It is shown that, under resistive switching, the reverse recovery characteristics of P-i-N diodes depend significantly on whether it is turned off during the turn-on transients (forward recovery) or whether it is turned off when the diode has reached a steady forward conducting state. It is pointed out that, under inductive switching, the voltage across the diode becomes negative even when the current in the diode is still, ramping down in the reverse direction. It is also shown that the ramp recovery characteristics of P-i-N diodes depend quite significantly on the circuit operating conditions and the reverse recovery characteristics can be different even if the current that the diode turns-off and the rate at which the diode current ramps down are the same. Finally, a novel test circuit is proposed and employed to carry out accurate reverse recovery measurements of high-power P-i-N diodes under resistive switching     

MPS二极管的少子特性仿真

混合pin/肖特基(MPS)二极管是广泛应用于电子电路中的快恢复功率器件,具有高击穿电压、快速开关和正向电流大等特性。对MPS二极管漂移区的少数载流子的特性进行了仿真分析。仿真结果表明,MPS二极管的p^+区向漂移区注入的少数载流子浓度随外加正向电压和pn结面积占元胞总面积比例的增大而增大。虽然漂移区的少数载流子改变了MPS二极管的工作模式,增大了电流,但是存储在漂移区的少数载流子增大了反向峰值电流和恢复时间,进而增大了功耗并降低了关断速度。折中考虑正向电流和反向恢复特性,可获得具有正向电流大、反向峰值电流小和反向恢复时间短的MPS二极管。