肖特基势垒反向隧穿电流研究

论文总字数：16996字

目 录

1.绪论 5

1.1肖特基势垒基本概念 5

1.2肖特基势垒在半导体器件的作用 5

1.3肖特基势垒反向漏电流 6

1.4如何降低肖特基势垒的反向漏电流？ 6

1.5目前研究的肖特基势垒反向漏电流产生机理有那些种类？ 7

1.6本论文的内容安排 8

2.WKB近似 10

2.1WKB近似的定义和适用条件 10

2.2WKB近似的适用条件 11

2.3WKB近似的缺点 11

3.Fowler-Nordheim隧穿模型的局限性分析 13

3.1积分计算遂穿模型与模型FN隧穿 13

3.2Fowler-Nordheim隧穿模型的局限性分析 14

4.肖特基势垒反向隧穿电流对肖特基势垒性质的依赖关系 17

4.1温度对肖特基势垒隧穿电流的影响 17

4.2势垒高度对肖特基势垒隧穿电流的影响 18

4.3掺杂浓度对肖特基势垒隧穿电流的影响 19

5.结论 21

参考文献 21

致谢 22

肖特基势垒反向隧穿电流研究

阿迪力江·艾麦尔

, China

Abstract: In our work, a 1D integral model for reverse tunneling current inSchottky barrier has been derived and the numerical simulation based on this model has been carried out. By comparing the data from this model with those from FN model, it is found that the calculation results of the current from FN model are very close to those from our integral model at 10K; when the temperature is beyond 10K, the difference between these two models becomes larger and larger with the increase of the temperature, showing that the temperature has a great influence on the tunneling current. Therefore, the FN model has many shortcomings and should not be used in future studies. Based on our model, the influences of temperature, barrier height and doping concentration on the tunneling current have been analyzed. It isfound that the tunneling current increases with the increase of bothtemperature and doping concentration while decreases with the increase of the barrier height. Our findings can provide reference for subsequent research.

Keywords: Schottky barrier; WKB approximation; reverse leakage current; Fowler-Nordheim model

1.绪论

1.1肖特基势垒基本概念

金属和N型半导体接触，当N型半导体的功函数小于金属的功函数时，由于半导体中的电子的能量比金属中的电子的能量大，半导体的一部分电子会进入金属，金属得到电子带负电荷而且这些负电荷以电子形式存在的，半导体失去电子带正电荷而且这些正电荷以离子形式存在的。由于半导体中的正电荷的吸引，金属中的电子集中在金属表面，半导体中的正电荷分布在空间电荷区，由于这个区域的能带发生弯曲形成了势垒。当进入金属和进入半导体的电子数相等时，金属和N型半导体的费米能级也达到平衡，如图（1.1）所示。这时形成的势垒叫做表面势垒，也就是我们研究的肖特基势垒。

图1.1肖特基接触图

1.2肖特基势垒在半导体器件的作用

电力电子器件一般都处在工作状态，由于通态损耗和开关损耗引起发热。因为肖特基势垒为接触的二极管反向恢复时间很短，正向恢复时没有明显的电压过冲，正向电压很低，所以通态损耗和开关损耗比快速二极管小，效率更高。还有由于肖特基势垒有反向恢复时间极短，在集成电路中使用肖特基二极管可以大大增加运行速度。

因为肖特基势垒具有非线性电阻特性，电压超过一定值时电导率迅速降低，电流急速增加，用这个特性可以制作半导体的传感器。

肖特基紫外光探测器原理是由于半导体表面的空间电荷区在禁带以上均匀，不会产生杂散信号，能达到更好的效果。

肖特基势垒在器件中的应用主要是在两个方面体现出来，一个是肖特基势垒的单向导电性，还有一个是肖特基势垒的整流作用

肖特基势垒的单向导电性：在负向偏置一般肖特基势垒的漏电流非常小。如果把反向电压慢慢的变大，肖特基势垒反向漏电流逐渐趋向于饱和，基本上可以看似没有电流通过，体现出了半导体器件中的肖特基势垒单向导电性质。因此这个性质在高速集成电路和微波技术应用领域中肖特基势垒被广泛的使用。

肖特基势垒的整流作用：如果金属个半导体都没有接到电压的时候，电势差不受到任何的影响，因为势垒高度是电荷量和电势差的乘上的结果，所以势垒高度保持平衡，如图（1.2.a）所示。当金属连接正电压，半导体连接负电压（正向偏置）的时候，内电场削弱，势垒降低，半导体这边能越过势垒进入金属的电子增加了很多，因此形成了肖特基势垒整流的正向电流，如图（1.2.b）所示。当金属连结负电压，半导体连接正电压（负向偏置）的时候，内电场增强，势垒高度增大，半导体中越过势垒进入金属的电子几乎没有了，但是金属那边进入半导体电子没有变，还是一样少，这些很少的电子流形成了肖特基势垒整流的反向电流。因此这个性质肖特基势垒被广泛的应用在变频器，开关电源、驱动器等电路。用肖特基势垒制造的二极管在微波通信等电路中作整流二极管、小信号检波二极管使用。

图1.2

1.3肖特基势垒反向漏电流

当肖特基势垒处在反向偏置时，由于它的整流作用引起了半导体一边的势垒的增大，阻止了从半导体进入金属的电子，之前的从金属进入半导体的电子流没有变，形成了漏电流。虽然一般漏电流早早的达到饱和饱和并且这个漏电流的值特别的小，但在反向过渡过程中，反向电流的峰值对器件的功耗，击穿率和造成噪声的影响并不可忽略的。反向漏电流随着结温的上升呈指数规律增加。

考虑功耗问题的时候往往用人认为正向电压是降低功耗的主要因素，反向漏电流不是特别的重要，显然这不是对的。其实只降低正向电压会引起漏电流的增加，虽然降低正向电压会减少功耗，但是反向漏电流引起的功耗会变大，因此造成更多能源的浪费。影响这两个参数的主要因素是金属和接触面积，由于这些参数均取决于相同的变量，必须这两个中间折中取舍。

大量实验研究发现肖特基器件都有噪声，其实这个肖特基噪声因半导体里面的粒子特性的电流载流子而产生的，己知的噪声产生机制主要包括这五种，1.迁移率和扩散系数涨落，2.热激活，3.隧穿，4.界面态陷阱，5.非故表面掺杂。上述因素都对反向漏电流有影响，比如点接触表面不清洁，针点压力会造成半导体表面畸变。界面态是决定器件性能的重要因素，界面电流和复合界面态性质有很大的相关性。如果表面没处理的话，势垒高度降低，而且反向漏电流增加。界面态的漏电流也会产生噪声的。由于反向漏电流的存在，所以其接触势垒不是理想的肖特基势垒受到机械振动时还会产生颤抖噪声的，噪声和器件退化之间有很大的相关性。

反向漏电流值为正温度特性，容易随着温度升高而急速变大，因为反向漏电流和击穿电压有反比的关系，所以反向电压很小的时候就发生击穿。但是这个很小的反向电压不能满足我们这个时代的需求，这是肖特基势垒要尽量解决的重要问题之一，所以想办法减小反向漏电流是增加反向电压的重要途径。

1.4如何降低肖特基势垒的反向漏电流？

目前肖特基器件的要求是元器件要低功耗、要抗高的反向电压、而且要得到的数据和结果的可靠性要高，如何提高功率肖特基势垒的的反向耐压特征和降低漏电功耗已经变成了当前设计的重要工作。下面介绍目前最常用的五种减少漏电流的方法。（1）在合适的温度下退火：这种方法的减小漏电流原理是它增加势垒高度。这种方法可以通过减小导致离子运输电流的氧空位缺点，达到了增加势垒高度的目的，因此减小了反向漏电流，可以增加半导体器件的性能。（2）降低势垒高度：杂质分凝技术可以有效的调节势垒高度，这个方法是适当的增加一些杂质提高有效电子的势垒高度和降低有效空穴势垒高度，因此减小肖特基势垒的反向漏电流（3）表面的处理；目前经常遇到的表面处理方法有等离子体处理和酸碱溶液处理等。表面的缺陷与界面态已经成为了影响肖特基特性的非常重要的因素，表面的自然氧化层和杂质的积累都会影响肖特基的接触能带状态，因此肖特基势垒的高度降低，理想因子的数量增加，进而引起漏电流增加。因此，为了改善肖特基特性和减小它的漏电流，有效的表面处理还是必要的。（4）增加介质层：这个方法主要是选用具有更高载流子迁移率的材料替换硅沟道材料的，比如说碳化硅(SiC)和磷化铟(InP)。因为势垒受到量子隧穿效应的影响，一些特别薄的栅介质层会导致肖特基器件的漏电，因此降低了使用肖特基势垒的器件效率。所以为了处理这个问题，用增加介质层的方法得到一些新型的半导体材料。（5）改进材料生长工艺：这个方法主要是多种旨在改进耗尽层边缘的曲率效应的终端结构来达到减小漏电流目的的，金属和半导体接触的时候是因为电力线集中在金属接触的边缘，所以引起了电场强度的增加和势垒的厚度变薄，因而隧道效应非常的明显，导致了反向漏电流的增大，它的反向特性变“软”，使击穿电压（反向偏压的时候）大大低于平面结。为了处理这个问题我们必须消除金属电极的边缘效应，让结边缘的击穿电压增大。

1.5目前研究的肖特基势垒反向漏电流产生机理有那些种类？

反向漏电流Jr,主要由三部分构成:热电子发射原理引起的越过势垒的反向电流J0,量子隧穿原理引起载流子跨过势垒的反向电流JT，耗尽区里电子和空穴复合引起的复合电流Jw,如下式所示:

（1.5.1）

热电子发射原理引起的越过势垒顶部的反向电流如下式所示:

（1.5.2）

量子隧穿原理引起载流子越过势垒的反向电流子如下式所示:

（1.5.3）

耗尽区里电子和空穴复合引起的复合电流如下式所示：

（1.5.4）

式中，是半导体材料的本征载流子浓度，是半导体的耗尽层厚度，是半导休材料的裁流子寿命。在室温下，半导体的反向漏电流电流的主要组成部分是量子的隧穿理引起载流子跨过势垒的反向电流。随着温度的升高，和增长的速率比的增长速率快很多。如果温度超过500K 的话，这三种成分的电流可达到相比的水平，此时，一定把热电子发射原理引起的越过势垒的反向电流和耗尽区空穴与电子复合引起的反向电流也要考虑。

Frenkel-Poole 发射机理是电子受到电场的增强而引起热发射，而且束缚态变成连续态。因为金属晶体中有位错，位错加外电压时它的浓度增加，因为漏电流在位沿错线中运输，所以位错处束缚态的电子发射引起了反向漏电流的增加。电流的Frenkel-Poole 发射机理能够表达为:,其中，是金属-半导体接触面处的电场强度。是电子从束缚态发射的势垒高度，是相对介电常数。由电流密度与电场强度和温度的关系表明，载流子从金属接触进入导电位错是通过Frenkel-Poole 发射，而非热电子发射。

肖特基（schottky）发射机制，现在在学术界它有两个主流的方向，一个是由导电细丝的形成与断裂所造成的阻变现象，还有一个是界面势垒厚度的变化。肖特基势垒发射与界面有非常密切的关系，氧空位在界面得到或者释放电子能够势垒改变电阻，还有一个说法就是在负电压的作用下，氧空位释放了电荷，导致了隧穿层的厚度增大。肖特基（schottky）发射机制的计算模型是：

（1.5.5）

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