SIC SBD碳化硅二極管用途

  SIC肖特基二極管除了在高頻功率電子方面應用外，還有其他用途，如氣敏傳感器、微波電路、紫外線探測器。本文將簡單討論SIC SBD在這些領域的應用。
 
  1. SIC SBD氣敏傳感器
  隨著環(huán)境排放氣體和其他化學物質的不斷增加，要求研究人員開發(fā)更先進的氣敏傳感器。
人們對于SIC氣敏傳感器在汽車和飛機燃料泄露探測、火災探測、排氣診斷及工業(yè)輻射等方面的應用非常感興趣。由于SIC半導體禁帶很寬，與傳統(tǒng)的Si半導體器件相比，可以在很高的溫度下穩(wěn)定工作。簡單的SIC肖特基二極管或場效應晶體管對許多氣體都很敏感，如氫、碳氫化合物、氧等。有文獻報道了具有鈀柵極的SIC SBD氣敏傳感器，它可以工作在550℃以上。
  氫原子可以從氫分子中分離，擴散通過薄金屬層后，在金屬-半導體界面形成極化層。這些極化層改變了肖特基接觸勢壘高度，可以使二極管I-V曲線向低電壓方向漂移。圖1給出了對于環(huán)境氣體典型響應的I-V曲線，可以看出I-V曲線明顯漂移，所以很容易用于電路探測。這種SIC SBD氣敏傳感器也可以用于探測一氧化碳(CO)，而且氣敏傳感器的響應時間在毫秒量級。
  SIC材料的另一個吸引人的特性是，這種寬禁帶材料氣敏傳感器可以與高溫電子器件集成在同一個芯片上。

 
  2. SIC SBD微波應用
  SIC SBD在微波應用中主要涉及一些需要高壓、高功率的場合，如限幅器、高級混頻器等。
  SIC SBD在混頻器電路中用做變阻器，其截止頻率可表示為： 式中，j0為零偏結電容；Rs是器件的串聯(lián)電阻。截止頻率是這種應用中的優(yōu)值系數(shù)。與式(1)相似，當滿足高壓應用時，SIC SBD可以表現(xiàn)出比傳統(tǒng)的Si和GaAs材料更優(yōu)越的性能。
  圖2給出了以4H-SIC物理參數(shù)并經(jīng)過理論計算得到的一系列圓形4H-SIC SBDs優(yōu)化曲線。有文獻報道了第一個SiC SBD混頻器，這種混頻器制作在厚度為0.4μm、摻雜濃度為4 ×10¹⁷cm^-3的4H-SIC襯底上，并以Au/Ti作為肖特基接觸金屬，有效區(qū)面積為(40×40)μm²。還有厚度為0.38μm、漂移區(qū)摻雜濃度為2.8×10¹⁷cm^-3的SIC SBD。由于大歐姆接觸電阻的限制，只能設計應用于較低頻率，制造的二極管在800MHz時的最低轉換損耗為5.2dB。  
  3. SIC SBD紫外探測器
  SIC SBD也被用作輻射探測器，如探測紫外光、中子和其他物質。
  隨著環(huán)境污染日益嚴重，精確測量紫外輻射已經(jīng)越來越重要。Si紫外探測器的主要缺點是，為了消除可見光和遠紅外光的滲入，需要增加輔助的射線濾波，這將影響探測器的精度。4H-SIC的禁帶寬度為3.2eV，這就意味著SIC探測器只能響應380nm及其以下的光線。從可見光到遠紅外較長波長的光線不能跨過禁帶，SIC對這些波長的光線不敏感，因此也就不需要增加輔助的射線濾波，這也正是實際中在可見和遠紅外光背景下，應用SIC作為紫外探測器的優(yōu)勢。此外，作為寬禁帶半導體材料，制作在SIC上的SBD有非常低的漏電流，可以有效增加器件的靈敏度。
  SIC SBD紫外探測器的探測靈敏度比Si光探測器高幾個數(shù)量級，其數(shù)值已經(jīng)接近光電倍增管的探測靈敏度。這些紫外探測器以肖特基二極管結構為基礎，在3.7μm厚的n型4H-SiC(3×10¹⁴~3×10¹⁵cm^-3)上沉積一層半透明Pt(75A)，分別制備了有效面積為0.25mm×0.25mm、2.0mm×2.0mm、5.0mm×5.0mm和1.0cm×1.0cm的肖特基光敏二極管。研究表明這種光敏二極管具有非常低的漏電流。其中5.0mm×5.0mm器件在偏壓為-1V時的漏電流小于1.2×10^-14A。圖3給出了SIC光敏二極管在200～400nm光譜范圍內的量子效率。與GaN不同，4H-SIC是間接帶隙半導體材料，在波段邊緣沒有明顯的終止邊界。當波長減小時，吸收系數(shù)從385nm逐漸減小。因此，4H-SIC肖特基二極管的量子效率從380nm的0.1%逐漸增加到300nm的37%。最大量子效率約為37%，在240～300nm時幾乎為常數(shù)。
  SIC SBD紫外探測器的靈敏度是可以估算的。零偏壓時，探測器的噪聲以約翰遜噪聲為主。比探測率D^*是評估光電探測器靈敏度的一個常用的優(yōu)值系數(shù)，當約翰遜噪聲起主要作用時比探測率可以定義為。 式中，η是量子效率；h是普朗克常量；v是輻射頻率；R₀為零偏動態(tài)電阻；A為探測器的面積。
  圖4是根據(jù)直接測量結果計算得到的5mmx5mm 4H-SIC肖特基光敏二極管的比探測率D^*與其他常用光探測器的比較情況。4H-SIC肖特基光敏二極管在300nm時達到最大靈敏度3.6 ×10¹⁵cmHz^1/2/W，在210～350nm范圍時的靈敏度在10¹⁵cmHz^1/2/W以上。這種最高水平探測器的靈敏度比Si光電二極管高出兩個數(shù)量級，比Si CCD的D^*高三個數(shù)量級。  
  由于碳化硅材料表面具有很多不同缺陷，將使器件的勢壘高度不均勻，從而限制SIC SBD的靈敏度。實際制造的器件中，有效的SBH要明顯低于Pt/4H-SIC的2.0eV理論值。然而隨著缺陷密度的減少和材料質量的改進，SBD的漏電流將進一步減少，靈敏度進一步提高。


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