一种肖特基二极管势垒高度的提取方法
阅读：418发布：2020-06-08
专利汇可以提供一种肖特基二极管势垒高度的提取方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了种肖特基 二极管 势垒高度的提取方法。通过测量 肖特基二极管 的反向I-V特性曲线，以(-V)1/4为横坐标，以ln|I|为纵坐标，在一段负 偏压 区间内外推曲线与纵轴相交，截距为C，得到零偏压下肖特基二极管的势垒高度为本发明的技术方案可以忽略二极管寄生 电阻 对提取方法的影响，尤其适合寄生电阻较大、势垒高度较小的肖特基二极管势垒高度的提取。，下面是一种肖特基二极管势垒高度的提取方法专利的具体信息内容。
1.一种肖特基二极管势垒高度的提取方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）测量肖特基二极管的反向I-V特性曲线；
1/4
（2）以(-V) 为横坐标，以ln|I|为纵坐标，在一段负偏压区间内外推曲线与纵轴相交，截距为C；
（3）得到零偏压下肖特基二极管的势垒高度为
其中， 是零偏压肖特基二极管势垒高度，单位为eV（电子伏特）；k是波尔兹曼常数，-23
取1.38×10 J/K（焦耳/开)；T是样品测试时的绝对温度，单位为K（开）；q是电子电荷，-19 2
取1.6×10 C（库仑）；A是肖特基二极管的面积，单位为μm（平方微米）；A*是理查德森
2 2
常数，n型硅衬底，取理查德森常数A*=112A/cmK（安培/平方厘米*平方开），p型硅衬底，
2 2
取A*=32A/cmK（安培/平方厘米*平方开）。
一种肖特基二极管势垒高度的提取方法
技术领域
背景技术
[0002] 肖特基二极管（Schottky diode）是一种应用广泛的半导体器件，常用作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管，也有用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。
[0003] 势垒高度（barrierheight）是肖特基二极管的重要电学参数。
[0004] 目前常用的几种势垒高度的提取方法包括I-V特性测量、电容方法测量和光电方法测量。鉴于I-V特性测量对二极管的要求低，且方法简单，因而应用最为普遍。图1是金属与n型半导体接触形成的肖特基二极管的I-V特性曲线示意图。理想情况下，当V>3kT/q时，基于热发射理论的I-V特性曲线可简单地表述为
[0005] I=I0eqV/nkT （1)*
[0006] 其中， 是肖特基二极管的反向饱和电流，A是面积，A 是理查德森常数，T是温度， 是势垒高度，n是理想因子。将lnI对V作图应是一条直线，对应于图1中的线段1，外推交纵轴的截距等于lnI0，即可求得零偏压下的肖特基势垒高度[0007] 然而，由于寄生电阻的影响，随着外加电压V的进一步增加，寄生电阻将承担一部分压降，此时的I-V特性曲线可表述为
[0008] I=I0eq(V-IR)/nkT （2）
[0009] lnI对V不再呈现线性关系，对应于图1中的曲线2。尤其当肖特基二极管的势垒高度比较低、寄生电阻比较大的情况下，寄生效应的影响越发明显，在外加电压较低的情况下便会进入到曲线2的情况，即线段1的区间很小，甚至导致无法精确提取出势垒高度。
[0010] 另一方面，一般情况下，肖特基二极管的反向击穿电压能达到几十伏甚至上百伏。只要外加偏压不超过击穿电压，则在很宽的一段反偏区间，反向电流的绝对值始终保持在一个很小的范围内，如图1中的曲线段3。因此，如能从肖特基二极管的反向I-V特性曲线中提取势垒高度，则寄生电阻上的分压可以忽略。但是，由于镜像力的存在，导致势垒高度有所降低，而降低的幅度和外加偏压（或者说电场）有关。反向偏压越大，则降低的幅度越多，从而导致反向电流不饱和。换句话说，反向电流的大小是随反向偏压绝对值的增加而增加的，反向电流的大小系统地增加主要是由肖特基势垒降低这一现象所引起（Robert F.Pierret,Semiconductor Device Fundamentals,1996）。这就给基于热发射理论提取势垒高度的方法带来了困难。事实上，肖特基二极管的反向I-V特性曲线中包含了很多信息，只是没有被充分的利用。若能周全地考虑到反偏下镜像力引起的势垒高度的变化，适当地做出一些简化，则能根据肖特基二极管的反向I-V特性有效提取出势垒高度。
发明内容
[0011] 本发明的目的在于解决现有技术的不足，提出一种利用肖特基二极管的反向I-V特性曲线提取肖特基势垒高度的方法。
[0012] 一种肖特基二极管势垒高度的提取方法，其包括如下步骤：
[0013] （1）测量肖特基二极管的反向I-V特性曲线；
[0014] （2）以(-V)1/4为横坐标，以ln|I|为纵坐标，在一段负偏压区间内外推曲线与纵轴相交，截距为C；
[0015] （3）得到零偏压下肖特基二极管的势垒高度为
[0016] 其中， 是零偏压肖特基二极管势垒高度，单位为eV（电子伏特）；k是波尔兹曼常-23数，取1.38×10 J/K（焦耳/开）；T是样品测试时的绝对温度，单位为K（开）；q是电子电-19 2
荷，取1.6×10 C（库仑）；A是肖特基二极管的面积，单位为μm（平方微米）；A*是理查德
2 2
森常数，n型硅衬底，取理查德森常数A*=112A/cmK（安培/平方厘米*平方开），p型硅衬
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底，取A*=32A/cmK（安培/平方厘米*平方开）。
荷，取1.6×10 C（库仑）；A是肖特基二极管的面积，单位为μm（平方微米）；A*是理查德
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森常数，n型硅衬底，取理查德森常数A*=112A/cmK（安培/平方厘米*平方开），p型硅衬
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底，取A*=32A/cmK（安培/平方厘米*平方开）。
[0017] 其中，步骤（2）中所述负偏压区间是指小于0并大于合理负偏压值的范围，是本领域测量肖特基二极管常规的负偏压区间。
[0018] 我们知道，基于热发射理论的金属-半导体接触形成的二极管的I-V特性曲线为[0019] I=I0[eq(V-IR)/nkT-1] （3）
[0020] 其中，反向饱和电流I0可表述为
[0021]
[0022] 由于镜像力的存在，导致势垒高度 随外加偏压的变化而变化。也就是说，肖特基二极管的势垒高度并不是一个常数，而是与外加的偏压有关。在正向偏置的情况下，镜像力的影响较小，势垒高度的变化很小，可以认为零偏压下的势垒高度基本反应了正向导通时的情况。而在反向偏置的情况下，镜像力的影响较大，引起的势垒高度的变化量（参考Robert F.Pierret,Semiconductor Device Fundamentals,1996）
[0023]
[0025]
[0026] 对于硅基或锗基二极管，比较常见的， 尤其当 和ξ的大小接近的时候， 则（6）式近似成立的负偏压范围更大。
[0027] 另一方面，随着外加反向偏压绝对值的继续增大，势垒宽度进一步减小，从而隧穿电流将有明显上升，导致反向电流中除了热发射电流外，隧穿电流的比重增加。此时，上述基于热发射理论的电流公式将不能完全涵盖肖特基二极管的电流。因此，可以认为，上述近似只在一段负偏压区间内成立。
[0028] 在该段负偏压区间内，考虑镜像力导致的势垒高度的变化，反向饱和电流为[0029]
[0030] 等式两边取对数，得到
[0031]
[0032] 将（6）式代入（8）式，得到
[0033]
[0034] 即，lnI0对(-V)1/4呈线性变化，其斜率为B，交纵轴的截距为C，则[0035]
[0036]
[0037] 根据（11）式可得到，零偏压下肖特基二极管的势垒高度为
[0038]
[0039] 和现有技术相比，本发明技术方案效果显著。相对于电容测量提取方法和光电测量等方法，通过测量二极管I-V曲线提取肖特基势垒高度对二极管的要求更低，方法更简单。在传统的通过正向I-V曲线提取势垒高度的方法中，不可避免受到寄生电阻的影响，在势垒高度较小时寄生效应的影响尤其明显；而本发明，选择了反向I-V曲线中的一段来提取，由于反向电流很小，施加在寄生电阻上的压降非常小，从而可以忽略二极管寄生效应的影响，从而提高势垒高度提取的准确性。附图说明
[0040] 为能更清楚理解本发明的目的、特点和优点，以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细描述，其中：
[0041] 图1是常规金属-半导体接触的肖特基二极管的I-V曲线；
[0042] 图2是实际测量得到的NiSi/n-Si肖特基二极管的I-V曲线；以及1/4
[0043] 图3是将图2的I-V曲线中负偏压区间段以(-V) 为横坐标，以ln|I|为纵坐标作图。
具体实施方式
[0044] 图2是实验测量得到的NiSi与n型硅衬底接触的肖特基二极管I-V曲线。其中，肖2
特基二极管的面积为60*60μm，温度为300K，对于n型硅衬底，取理查德森常数A*=112A/
2 2
cmK。
特基二极管的面积为60*60μm，温度为300K，对于n型硅衬底，取理查德森常数A*=112A/
2 2
cmK。
[0045] 观察到反向偏压下，I-V曲线在-5V前后较明显的分成了两个区间段。在反向偏压降低到-5V之前，反向电流随负偏压绝对值的增加而增加。可以认为在这一阶段，镜像力的存在起到了主导作用，反向偏压越大，镜像力的影响越显著，导致势垒高度降低的幅度越大，从而反向电流不断增加。
[0046] 在外加偏压小于-5V后，随着外加反向偏压绝对值的继续增大，势垒宽度进一步减小，从而隧穿电流将有明显上升，导致反向电流中除了热发射电流外，隧穿电流的比重增加，因此电流上升的幅度加快。
[0047] 因此，为了使用本发明中的提取肖特基势垒高度的方法，取负偏压区间段为-1~-5V。
[0048] 然后，将图2的I-V曲线中的反偏（V<0）部分以(-V)1/4为横坐标，以ln|I|为纵1/4
坐标作图，得到图3。负偏压区间段-1~-5V基本对应了图3中横轴(-V) 在1~1.5V的区间。可以看到，该区间内曲线基本呈直线。外推该区间段交纵轴于C，则C＝-20.5。
坐标作图，得到图3。负偏压区间段-1~-5V基本对应了图3中横轴(-V) 在1~1.5V的区间。可以看到，该区间内曲线基本呈直线。外推该区间段交纵轴于C，则C＝-20.5。
[0049] 最后，根据得到的C值，由公式 可得，势垒高度为0.68eV。
[0050] 可以看到，在本发明的技术方案中，使用了肖特基二极管I-V曲线的反偏部分来提取肖特基势垒高度。由于在反偏情况下，电流很小，因此可以忽略外加偏压在寄生电阻上的压降，从而提高势垒高度提取的准确性。
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