張錦濤,趙少云,韋文生,鄭君鼎,何明昌
(溫州大學(xué)數(shù)理與電子信息工程學(xué)院,浙江溫州 325035)
間接帶隙碳化硅(SiC)、直接帶隙氮化鎵(GaN)半導(dǎo)體以其高的禁帶寬度、飽和漂移速度、臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)、熱導(dǎo)率等特性成為制造現(xiàn)代電子器件的優(yōu)選材料[1].SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以同時(shí)發(fā)揮SiC的導(dǎo)熱好、空穴與電子電離率差異大以及GaN的電子遷移率高、In(Al)xGa1-xN的能帶可調(diào)等優(yōu)勢(shì),在功率電子、紫外探測(cè)等領(lǐng)域具有重要的研發(fā)價(jià)值[2-3].
已經(jīng)開展了SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)及其器件的理論和實(shí)驗(yàn)研究.因?yàn)?H-SiC與六方相GaN的晶格失配最小,在6H-SiC的面上生長(zhǎng)GaN之前,戴憲起等[4]利用超原胞模型第一性原理贗勢(shì)方法計(jì)算發(fā)現(xiàn),界面能最低時(shí)的可能異質(zhì)結(jié)構(gòu)為6H-SiC/P-6H-GaN/2H-GaN.由于SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面存在自發(fā)、壓電極化,Scha等[5]采用介穩(wěn)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的平衡理論研究了自發(fā)、壓電極化效應(yīng)對(duì)異質(zhì)結(jié)構(gòu)性能的影響,發(fā)現(xiàn)6H-SiC與應(yīng)變六方相GaN形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面出現(xiàn)二維空穴氣(2DHG),6H-SiC與松弛GaN構(gòu)筑的異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面產(chǎn)生二維電子氣,面密度達(dá)到1013cm-2量級(jí).在理論研究的基礎(chǔ)上,Topf等[6]利用低壓化學(xué)氣相沉積技術(shù)研制了(p)6H-SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu),通過異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電致發(fā)光譜、熱導(dǎo)納譜、電流-電壓(I-V)關(guān)系及電容-電壓(C-V)關(guān)系的特征,發(fā)現(xiàn)電致發(fā)光譜、低正向電流來自于異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面兩側(cè)的載流子通過界面缺陷態(tài)隧穿而復(fù)合.王曉亮等[7]使用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積方法研制的 1 mm柵寬6H-SiC/AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)高電子遷移率晶體管,漏源電壓Vds=34.3 V,輸出功率39.13 dBm,功率增益6.7 dB,連續(xù)工作半小時(shí)只下降了0.3%.本課題組模擬了不同SiC晶型(n)SiC/(p)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的正向恢復(fù)行為[8].
(p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)作為(n)SiC/(p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)雙極晶體管(HBT)的發(fā)射結(jié),其價(jià)帶帶階阻礙空穴從基極返回發(fā)射極[9],提高了注入效率.但還未見6H-SiC/GaN、4H-SiC/GaN、3C-SiC/GaN三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)正向穩(wěn)態(tài)導(dǎo)電的對(duì)比研究.本文利用MATLAB數(shù)值模擬此三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的載流子分布、電容對(duì)電壓及溫度的依賴性,分析了異質(zhì)結(jié)構(gòu)I-V關(guān)系隨p區(qū)及n區(qū)的少子壽命、摻雜濃度、溫度變化的規(guī)律.
圖1為(p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)在熱平衡態(tài)時(shí)的能帶示意圖.假定異質(zhì)結(jié)構(gòu)為突變型,不考慮界面缺陷態(tài)及隧穿效應(yīng),內(nèi)部保持電中性,只涉及小注入情況.因?yàn)镾iC、GaN半導(dǎo)體的少子壽命都很短,應(yīng)考慮空間電荷區(qū)的載流子復(fù)合.p區(qū)SiC、n區(qū)GaN的完全電離雜質(zhì)濃度分別為Na、Nd,電子親和勢(shì)分別為χp、χn,異質(zhì)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)帶帶階、價(jià)帶帶階分別為ΔEC、ΔEV.為了方便計(jì)算,建立以p/n結(jié)界面為原點(diǎn)、垂直于結(jié)從p區(qū)指向n區(qū)的一維坐標(biāo)系(x軸),示于圖1底部,空間電荷區(qū)邊界在p區(qū)、n區(qū)的位置分別為x=-xp、x=xn.
圖1 (p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)在熱平衡態(tài)時(shí)的能帶示意圖Fig 1 Energy Band Diagram of (p)SiC/(n)GaN Heterostructure under Thermal Equilibrium.
在求解(p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)基于漂移-擴(kuò)散模型的泊松方程、電流密度方程、載流子連續(xù)性方程時(shí),采用的邊界條件為:x=-xp及x=xn處,電場(chǎng)強(qiáng)度E=0,x=-∞處,n1(-∞)=n10,x=-xp處,n1(-xp)=n10exp(qV/kT),其中q、k、T分別為基本電荷電量、玻爾茲曼常數(shù)、絕對(duì)溫度,n1(x)表示p區(qū)少子(電子)的濃度分布,n10為平衡時(shí)p區(qū)的少子濃度.當(dāng)異質(zhì)結(jié)構(gòu)加載正向偏壓V時(shí),x<-xp區(qū)域的少子(電子)濃度n(x)、x>xn范圍的少子(空穴)濃度p(x)、載流子復(fù)合率U、p區(qū)一側(cè)空間電荷區(qū)內(nèi)的少子復(fù)合電流Jrb、n區(qū)一側(cè)空間電荷區(qū)內(nèi)的少子復(fù)合電流Jre、從n區(qū)注入p區(qū)的電子電流密度Jn、從p區(qū)注入n區(qū)的空穴電流密度Jp、通過異質(zhì)結(jié)構(gòu)的總正向電流密度J的表達(dá)式可參考文獻(xiàn)[10-11].
本文利用MATLAB軟件編程計(jì)算了(p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的載流子分布、J-V及C-V關(guān)系等,涉及的SiC、GaN參數(shù)來自文獻(xiàn)[1]、[3]和[12].
2.1.1 正向偏壓對(duì)載流子分布的影響
圖2(a)、(b)、(c)表示T=300K、p區(qū)摻雜濃度Na=5×1017cm-3、n區(qū)摻雜濃度Nd=1×1018cm-3,正向偏壓分別為V=0.5V、1.0V、1.5V時(shí)6H-SiC/GaN、4H-SiC/GaN、3C-SiC/GaN三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)電子、空穴濃度的分布.給異質(zhì)結(jié)構(gòu)加載正向偏壓V時(shí),空穴從p區(qū)越過異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢(shì)壘向n區(qū)注入,電子由n區(qū)越過勢(shì)壘向p區(qū)注入.
由圖2可見,V一定時(shí),三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的載流子(空穴、電子)分布穩(wěn)定.由n區(qū)注入到p區(qū)的電子濃度、由p區(qū)注入到n區(qū)的空穴濃度隨V升高而增加,越靠近界面越明顯.這是因?yàn)?,熱平衡時(shí),異質(zhì)結(jié)構(gòu)空間電荷區(qū)內(nèi)的載流子濃度很小,電阻很大,而區(qū)外的載流子濃度很大,電阻很小.加載的V主要降落在勢(shì)壘區(qū),削弱了勢(shì)壘區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng),縮小了勢(shì)壘區(qū)的寬度,加快了電子、空穴分別越過勢(shì)壘區(qū).異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢(shì)壘高度隨V升高而降低,電子、空穴更加容易越過勢(shì)壘,所以由n區(qū)到p區(qū)的電子濃度、由p區(qū)到n區(qū)的空穴濃度均隨V升高而增加.對(duì)比圖2(a)、(b)、(c)發(fā)現(xiàn),V相同時(shí)3C-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中由n區(qū)到p區(qū)的電子濃度最大,這是由于3C-SiC的禁帶寬度最小,3C-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢(shì)壘最低,電子、空穴最容易越過此勢(shì)壘所致.而4H-SiC的禁帶寬度最大,4H-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢(shì)壘最高,電子、空穴最難越過此勢(shì)壘,使得n區(qū)到p區(qū)的電子濃度最低.
圖2 不同正向偏壓下三種(p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電子、空穴分布Fig 2 Distributions of Electrons and Holes in Three Kinds of (p)SiC/(n)GaN Heterostructures Biased by Different Forward Voltages
2.1.2 溫度對(duì)載流子分布的影響
圖3(a)、(b)、(c)表示正向偏壓V=1.5V、p區(qū)摻雜濃度Na=5×1017cm-3、n區(qū)摻雜濃度Nd=1×1018cm-3,溫度分別為T=250K、300K、350K時(shí)三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)電子、空穴濃度的分布.從圖3可見,三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)由n區(qū)注入到p區(qū)的電子濃度、由p區(qū)注入到n區(qū)的空穴濃度均隨T升高而增加.這是因?yàn)?,T升高會(huì)引起SiC、GaN禁帶寬度變窄,SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的勢(shì)壘高度降低,電子、空穴更加容易越過勢(shì)壘,導(dǎo)致濃度增加.另一方面,T升高促進(jìn)SiC、GaN半導(dǎo)體的本征激發(fā)及雜質(zhì)電離,引起異質(zhì)結(jié)構(gòu)p區(qū)、n區(qū)的載流子濃度隨溫度升高而增加.T相同時(shí),3C-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中由n區(qū)到p區(qū)的電子濃度最大,4H-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中從n區(qū)到p區(qū)的電子濃度最小,原因如同2.1.1部分所述.
圖3 不同溫度下三種(p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電子、空穴分布Fig 3 Distributions of Electrons and Holes in Three Kinds of (p)SiC/(n)GaN Heterostructures under Different Temperatures
圖4(a)、(b)、(c)表示T=300K、p區(qū)摻雜濃度Na=5×1017cm-3、n區(qū)摻雜濃度Nd=1×1018cm-3,正向偏壓分別為V=0.5V、1.0V、1.5V時(shí)三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)載流子復(fù)合率(U)分布隨正向偏壓V變化的情況.如圖4所示,p區(qū)的復(fù)合率大于n區(qū)的值,是因?yàn)閜區(qū)多子(空穴)壽命τp短而復(fù)合快引起U高,n區(qū)多子(電子)壽命τn長(zhǎng)而復(fù)合慢導(dǎo)致U低.其它條件不變時(shí),三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)載流子的U均隨V升高而增加.這是因?yàn)楫愘|(zhì)結(jié)構(gòu)勢(shì)壘高度隨V升高而降低,電子、空穴更容易越過勢(shì)壘,因此由n區(qū)到p區(qū)的電子濃度、由p區(qū)到n區(qū)的空穴濃度均隨V增大而增加,從而提高載流子的U.V相同時(shí),3C-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的U最大,4H-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的U最小,歸因于3C-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢(shì)壘最低,4H-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢(shì)壘最高,電子、空穴最容易越過前者而最難越過后者,所以前者的U最大而后者的U最小.
圖4 不同正向偏壓下三種(p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的載流子復(fù)合率Fig 4 Carrier Recombination Rates in Three Kinds of (p)SiC/(n)GaN Heterostructures Biased by Different Forward Voltages
2.3.1 三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)C-V特性的比較
圖5給出了T=300K、p區(qū)摻雜濃度Na=5×1017cm-3、n區(qū)摻雜濃度Nd=1×1018cm-3時(shí)三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的C-V關(guān)系.如圖5所示,異質(zhì)結(jié)構(gòu)的C-2值均隨V升高而減小,即C均隨V升高而變大.這可理解為,其它條件不變時(shí),正向偏置的異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢(shì)壘區(qū)內(nèi)電場(chǎng)隨V升高而減弱,勢(shì)壘高度降低而且變窄.從圖2得到,異質(zhì)結(jié)構(gòu)中由n區(qū)注入到p區(qū)的電子濃度、由p區(qū)注入到n區(qū)的空穴濃度均隨著V升高而增加,所以C隨V升高而變大,C-2值減小.另外,從圖5可見,V相同時(shí)3C-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的C-2最小,該結(jié)電容最大,4H-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的C-2最大,此結(jié)電容最小.這是因?yàn)椋?C-SiC的帶隙最窄而4H-SiC的帶隙最寬,導(dǎo)致3C-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢(shì)壘最低而4H-SiC/GaN勢(shì)壘最高.V相同時(shí),前者的載流子注入濃度最大而后者的最小,故而前者的電容最大而后者的最小.
圖5 三種(p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的C-V關(guān)系Fig 5 C-V Relations in Three Kinds of (p)SiC/(n)GaN Heterostructures
2.3.2 溫度對(duì)異質(zhì)結(jié)構(gòu)C-V特性的影響
圖6(a)、(b)、(c)給出了p區(qū)摻雜濃度Na=5×1017cm-3、n區(qū)摻雜濃度Nd=1×1018cm-3、溫度分別為T=200K、300K、400K時(shí),三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電容隨溫度變化情況.如圖6所示,三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的C-2值均隨溫度升高而下降,即電容隨溫度升高而變大.這是因?yàn)?,其它參?shù)不變時(shí),半導(dǎo)體帶隙隨著溫度升高而變窄,引起異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢(shì)壘高度隨著溫度升高而降低.從圖3可知,三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)從n區(qū)越過勢(shì)壘到p區(qū)的電子濃度、從p區(qū)越過勢(shì)壘到n區(qū)的空穴濃度均隨溫度升高而增加,即異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面兩側(cè)的電子、空穴濃度隨溫度升高而增加,因此,電容隨溫度升高而增大.
圖6 不同溫度下三種(p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的C-V關(guān)系Fig 6 C-V Relations in Three Kinds of (p)SiC/(n)GaN Heterostructures under Different Temperatures
圖7(a)、(b)、(c)給出了T=300K、p區(qū)摻雜濃度Na=5×1017cm-3、n區(qū)摻雜濃度Nd=1×1018cm-3時(shí),三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的正向電流密度各成分Jn、Jp、Jrb、Jre隨正向偏壓V變化的情況.因?yàn)镹a<Nd,導(dǎo)致異質(zhì)結(jié)構(gòu)空間電荷區(qū)在p區(qū)側(cè)的寬度大于n區(qū)側(cè)的寬度,p區(qū)的少子濃度大于n區(qū)的相應(yīng)值;另外,從圖4可知,p區(qū)的載流子復(fù)合率大于n區(qū)的相應(yīng)值,所以Jp<<Jn,Jre<<Jrb,如圖7所示.V較低時(shí)J的大小主要取決于Jrb;V較高(>約2V)時(shí),J主要取決于Jn.這是因?yàn)?,V較低時(shí)空間電荷區(qū)寬,載流子復(fù)合占優(yōu),可通過圖4反映出來;另一方面,異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢(shì)壘高,載流子通過勢(shì)壘注入的量很小,此時(shí)的J主要取決于p區(qū)的復(fù)合電流Jrb,與文獻(xiàn)[6]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合.隨著V升高,異質(zhì)結(jié)構(gòu)的空間電荷區(qū)變窄,勢(shì)壘降低,n區(qū)的載流子越過勢(shì)壘進(jìn)入p區(qū)的量很大,此時(shí)的J主要取決于從n區(qū)向p區(qū)擴(kuò)散的電子電流Jn,三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的情況都如此,分別如圖7(a)、(b)、(c)所示.
圖7 三種(p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的正向電流密度各成分隨電壓的變化Fig 7 Changes of Various Components of Forward Current Density with Biased Voltage in Three Kinds of(p)SiC/(n)GaN Heterostructures
圖8 三種(p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的J-V特征Fig 8 J-V Characteristics of Three Kinds of (p)SiC/(n)GaN Heterostructures
圖8描述了T=300K、p區(qū)摻雜濃度Na=5×1017cm-3、n區(qū)摻雜濃度Nd=1×1018cm-3時(shí),三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的J-V關(guān)系,可見各個(gè)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的J隨V升高而增大.可理解為,異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢(shì)壘高度隨著V升高而降低,載流子越過勢(shì)壘的數(shù)量增大導(dǎo)致J增大.V相同時(shí),3C-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的J最大,4H-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的J值最小.這是因?yàn)?C-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢(shì)壘最低,4H-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的勢(shì)壘最高,載流子最容易越過前者而最難越過后者所致.
2.4.1 異質(zhì)結(jié)構(gòu)n區(qū)、p區(qū)少子壽命對(duì)正向J-V特性的影響
圖9(a)、(b)、(c)分別給出了T=300K、p區(qū)摻雜濃度Na=5×1017cm-3、n區(qū)摻雜濃度Nd=1×1018cm-3、n區(qū)直接帶隙半導(dǎo)體GaN的少子(空穴)壽命τp=1ns、6.5ns、13.0ns時(shí),三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)正向電流密度各成份與正向偏壓V的關(guān)系.從圖9可見,三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)n區(qū)少子壽命τp的變化主要影響從p區(qū)注入到n區(qū)的空穴電流密度Jp、空間電荷區(qū)n區(qū)側(cè)的復(fù)合電流密度Jre,且前者效果顯著,而Jn、Jrb幾乎不受干擾.從圖2圖3可知,T、V一定時(shí),異質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)電子、空穴分布穩(wěn)定.τp減小意味著相同時(shí)間內(nèi)空穴從p區(qū)越過勢(shì)壘注入到n區(qū)的數(shù)量需要相應(yīng)增加,才能維持分布穩(wěn)定,即Jp隨τp減小而增大.因?yàn)檫@三種半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)屬于少子導(dǎo)電系統(tǒng),從p區(qū)注入到n區(qū)的空穴導(dǎo)致n區(qū)少子總量急劇增加,所以τp對(duì)Jp影響更甚.
圖9 三種(p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中n區(qū)少子壽命不同時(shí)正向電流密度各成分與電壓的關(guān)系Fig 9 Relations between Various Components of Forward Current Density and Biased Voltage with Different Minority Lifetimes in n-type Region in Three Kinds of (p)SiC/(n)GaN Heterostructures
圖10 三種(p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中p區(qū)少子壽命不同時(shí)的正向J-V關(guān)系Fig 10 Forward J-V Relations in Three Kinds of (p)SiC/(n)GaN Heterostructures with Different Minority Lifetimes in p-type Region in Three Kinds of (p)SiC/(n)GaN Heterostructures
圖10(a)、(b)、(c)給出了T=300 K、p區(qū)摻雜濃度Na=5×1017cm-3、n區(qū)摻雜濃度Nd=1×1018cm-3,p區(qū)間接帶隙半導(dǎo)體SiC的少子(電子)壽命分別為τn=20 ns、40 ns、60 ns時(shí),三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的J-V關(guān)系.從圖2、圖3可知,T、V一定時(shí),異質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)電子、空穴的分布穩(wěn)定.p區(qū)少子(電子)壽命τn縮短,在此區(qū)域內(nèi)電子-空穴復(fù)合引起復(fù)合電流增大.同時(shí)要求從n區(qū)注入到p區(qū)的電子數(shù)量必須相應(yīng)增加,才能維持穩(wěn)定的分布,注入電子數(shù)目增加則擴(kuò)散電流增大.計(jì)算得到,J隨著p區(qū)少子壽命τn縮短反而增加,如圖10所示.V相同時(shí),3C-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的J最大,4H-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的J值最小,歸因于前者的勢(shì)壘最低,載流子最容易越過,因而J值大;后者的勢(shì)壘最高,載流子最難越過,因而J值小.
2.4.2 異質(zhì)結(jié)構(gòu)n區(qū)、p區(qū)摻雜濃度對(duì)正向J-V特性的影響
圖11給出了T=300K、p區(qū)摻雜濃度Na=5×1017cm-3、n區(qū)摻雜濃度分別為Nd=6×1017cm-3、8×1017cm-3、1×1018cm-3時(shí),三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的J-V關(guān)系.從圖11可見,J隨Nd的增加而增大,V較低時(shí)增加得更明顯,歸因于Na<Nd,異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢(shì)壘區(qū)主要位于p區(qū)側(cè),n區(qū)多子(電子)隨著Nd增加而增多,勢(shì)壘區(qū)變薄,而少子(空穴)減少,少子效應(yīng)減弱,電子從n區(qū)越過異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢(shì)壘與p區(qū)多子(空穴)復(fù)合的幾率增大,復(fù)合電流密度增大,所以J增大.此外,電子從n區(qū)越過勢(shì)壘向p區(qū)注入的數(shù)量隨Nd增大而增多,Jn和J增大.V相同時(shí),3C-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的J最大,4H-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的J值最小,原因如同2.4.1部分所述.
圖11 三種(p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中n區(qū)摻雜不同時(shí)的正向J-V關(guān)系Fig 11 Forward J-V Relations in Three Kinds of (p)SiC/(n)GaN Heterostructures with Different n-type Doping
圖12給出了T=300 K、n區(qū)摻雜濃度Nd=1×1018cm-3、p區(qū)摻雜濃度分別為Na=5×1017cm-3、7×1017cm-3、9×1017cm-3時(shí),三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的J-V關(guān)系.從圖12可見,V相同時(shí)J隨著Na減小而增大.因?yàn)镹a<Nd,異質(zhì)結(jié)構(gòu)空間電荷區(qū)主要位于p區(qū),p區(qū)少子(電子)多于n區(qū)少子(空穴).p區(qū)少子隨Na減小而增多,少子效應(yīng)加強(qiáng),p區(qū)側(cè)的空間電荷區(qū)更寬,越過異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢(shì)壘的少子在空間電荷區(qū)內(nèi)的復(fù)合幾率增加,復(fù)合電流Jrb增大.計(jì)算可知,Na的變化幾乎不影響Jn.從圖9可知,V相同時(shí)其它電流成份與Jn、Jrb相比可忽略,所以異質(zhì)結(jié)構(gòu)J隨著Na的減小而增大.對(duì)比圖12(a)、(b)、(c),V、Na相同時(shí),3C-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的J值最大,因?yàn)樗膭?shì)壘最低,載流子最容易越過勢(shì)壘;反之,4H-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的J值最小,因?yàn)槠鋭?shì)壘最高,載流子最難越過勢(shì)壘.
2.4.3 溫度對(duì)異質(zhì)結(jié)構(gòu)正向J-V特性的影響
圖13給出了p區(qū)摻雜濃度Na=5×1017cm-3、n區(qū)摻雜濃度Nd=1×1018cm-3、溫度分別為T=250 K、300 K、350 K時(shí),三種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的J-V關(guān)系.由圖3可見,異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電子、空穴濃度隨著T升高而增加,導(dǎo)致復(fù)合電流增大.另一方面,異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢(shì)壘高度隨著T升高反而降低,從n區(qū)越過異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢(shì)壘注入到p區(qū)的電子以及從p區(qū)越過異質(zhì)結(jié)構(gòu)勢(shì)壘注入到n區(qū)的空穴更多,Jn、Jp增大.所以,V相同時(shí)J隨T的升高而增大,如圖13所示.同樣V、T之下,3C-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的勢(shì)壘最低,載流子最容易越過,它的J值最大;4H-SiC/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的勢(shì)壘最高,載流子最難越過,它的J值最小.
圖12 三種(p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中p區(qū)摻雜不同時(shí)的正向J-V關(guān)系Fig 12 Forward J-V Relations in Three Kinds of (p)SiC/(n)GaN Heterostructures with Different p-type Doping
圖13 溫度不同時(shí)三種(p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的正向J-V關(guān)系Fig 13 Forward J-V Relations in Three Kinds of (p)SiC/(n)GaN Heterostructures at Different Temperatures
對(duì)照已經(jīng)研制的不同(p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)[13-15],本文仿真器件選用的材料摻雜濃度等參數(shù)與實(shí)驗(yàn)中的對(duì)應(yīng)參數(shù)吻合.而且,模擬(p)4H-SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)300 K時(shí)的C-V(圖5)和J-V(圖8)數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[13]采用氫化物氣相外延(HVPE)技術(shù)制備同種結(jié)構(gòu)的同類數(shù)據(jù)的測(cè)量結(jié)果一致;仿真(p)6H-SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)300 K時(shí)的C-V(圖6(a))和J-V(圖13(a))數(shù)據(jù),與利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)方法[14]和HVPE技術(shù)[15]研制同種結(jié)構(gòu)的同類數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分接近.實(shí)驗(yàn)上難以象本文這樣獨(dú)立設(shè)置那么多的參數(shù)制備器件并加以測(cè)量,因而無法逐一對(duì)比,但已不影響本文結(jié)果的可靠性.因此,所得結(jié)果可為設(shè)計(jì)(n)SiC/(p)SiC/(n)GaN型HBT等器件提供理論指導(dǎo).
利用MATLAB軟件數(shù)值模擬正向偏置(p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)電的結(jié)果表明:溫度及電壓一定時(shí),異質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)電子、空穴分布穩(wěn)定,異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電容隨溫度、電壓的增加而變大.電壓較低時(shí),正向電流密度主要取決于空間電荷區(qū)的復(fù)合電流;電壓>約2 V時(shí),主要由n區(qū)注入到p區(qū)的電子擴(kuò)散電流決定.隨著溫度升高、n區(qū)摻雜濃度增加、p區(qū)及n區(qū)少子壽命縮短、p區(qū)摻雜濃度減小,正向電流密度均增大.可調(diào)節(jié)參數(shù)優(yōu)化(p)SiC/(n)GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的正向穩(wěn)態(tài)導(dǎo)電特性,并指導(dǎo)(n)SiC/(p)SiC/(n)GaN型HBT等器件設(shè)計(jì).