【成果论文】超高灵敏度金刚石二极管温度传感器

【文章导读】

温度监测在功率器件运行过程中显得尤为重要。由于能量耗散和散热不足等因素，功率器件可能因过热而失效。器件的稳定性很大程度上取决于工作温度。因此，使用先进的温度传感器对设备温度进行监测至关重要，以确保其在可靠稳定的工作环境中运行。本文介绍了一种新型的二极管温度传感器，采用具有低掺杂漂移层的伪垂直金刚石肖特基二极管。通过评估在298-664 K范围内正向电压在一定电流下的温度依赖性来探究传感器的性能，结果显示，具备低掺杂耗尽层的金刚石二极管温度传感器表现出最高的温度灵敏度。此工作以High Sensitivity DTSs Based on Diamond with a Low Doping Drift Layer 为题发表在《IEEE Sensors Journal》，第一作者为博士生梁博。

【论文信息】

Liang B, Liu B, Fan S, et al. High Sensitivity DTSs Based on Diamond with a Low Doping Drift Layer[J]. IEEE Sensors Journal, 2024.

doi: 10.1109/JSEN.2024.3401160.

【研究背景】

使用先进的温度传感器对设备温度进行监测至关重要，以确保其在可靠稳定的工作环境中运行。在各种类型的温度传感器中，二极管温度传感器（DTSs）由于具有高热灵敏度和与电子集成电路兼容的优点而备受青睐。到目前为止，硅DTSs因其合理的灵敏度、高精度和芯片集成而成为最具性价比的传感器。然而，由于硅的窄禁带（在300 K时为1.12 eV）和高固有载流子浓度使得硅DTSs的温度感应范围不能超过500 K。硅DTSs的主要缺点是其低热灵敏度（约为2.5 mV/K）。然而金刚石具有宽禁带（在300 K时为5.45 eV）、低固有载流子浓度、高临界电场和高热导率，因此，它是用于功率器件和大范围温度传感应用的理想材料。此外，金刚石中硼原子的高激发能（0.37 eV）导致在室温下离子化严重不完全，特别是在低掺杂情况下。这种高电阻将随温度升高迅速下降，因为在较高温度下更多的硼原子将发生离子化。因此，低掺杂金刚石对温度变化非常敏感，可以实现高灵敏度的温度感应。

【研究内容】

本研究利用伪垂直金刚石肖特基势垒二极管制备了温度传感器。为了实现高灵敏度的温度感应，通过微波等离子体化学气相沉积（MPCVD），在高硼掺杂金刚石衬底（硼浓度为1×10¹⁹ cm^-3）上外延生长了低掺杂漂移层（硼浓度为1×10¹⁵ cm^-3）。通过测试在298–664 K范围内二极管正向分压随温度的变化关系来评估其温度传感性能，测试结果如图1所示。测试结果显示，在工作电流为10^-3 A的条件下，二极管温度传感器的灵敏度分别为22.68 mV/K（298–468 K）和9.92 mV/K（468–664 K）。

图1 （a）传感器在298–664 K温度范围内的电流-电压测试数据图；（b）不同工作电流下传感器正向电压将随温度的变化关系

为了解释测试得到的灵敏度，使用热电子发射（TE）模型对二极管温度传感器的理论灵敏度进行预测。根据模型要求分别确定了理想因子（n）和肖特基势垒高度（SBH）随温度的变化关系如图2（a）所示。计算结果表明理想因子与势垒高度分别随温度升高而减小/增大（图2（b）），这表明传感器的肖特基接触呈现明显的非均匀现象。同时n与SBH随温度的变化呈现明显的相关性，根据二者变化的相关性可以计算出理想肖特基接触条件下的势垒高度为1.89eV。

为进一步研究传感器温度传感性能与肖特基非均匀接触的关系，研究引入高斯分布假设对热电子发射模型进行修正，根据高斯模型的假设将势垒波动的影响带入到TE模型中，并考虑了外加偏压与温度对肖特基结的影响，计算了修正后的势垒高度与金刚石理查德森常数分别为2.43eV与22.03 A/cm²·K²，其结果如图2（d）、（e）所示。

图2 使用TE方法得到的器件参数。(a) ln(I)与电压曲线；(b) 基于TE模型的势垒高度和理想因子随温度变化的曲线；(c) 势垒高度与理想因子的曲线；(d) 基于带有高斯分布的TE模型的势垒高度和n^-1-1与q/2kT曲线；(e) 二极管的传统和修改后的理查森图；(f) nΦ_B与温度的变化关系曲线。

最后使用Cheung模型确定了导通电阻（R_on）随温度的变化关系，如图3所示。计算结果表明R_on值在298–468 K范围随温度的变化较为明显，导通电阻减小率为-16.19 Ω/K，而当温度从468 K增加到664 K时，导通电阻的减小率仅为-3.03 Ω/K。最后，将考虑了肖特基接触非均匀性和温度相关导通电阻的理论模型用于计算理论灵敏度，结果显示理论计算值与实验测试值有较好的重合度，证明了理论分析的正确性。

图3 (a) 基于Cheung模型从dV/dln(I)与电流曲线的斜率估算的串联电阻；(b) 电阻随温度变化的拟合曲线。

【研究人员简介】

刘本建

哈工大青年拔尖副研究员，新时代龙江优博。从事金刚石材料生长、晶体管器件、同位素电池等研究。任《真空与低温》期刊青年编委。承担国家重点研发计划、国家自然科学基金青年基金、博士后基金面上项目、省博士后面上基金以及基础研究院所稳定支持项目，以核心骨干身份参与重点研发、战略国合等多项重大科研项目。在Carbon等期刊发表学术论文20余篇，其中第一/通讯作者10余篇，封面文章4篇。撰写论著章节2章。申请发明专利21项，授权11项，其中美国专利1项，省发明专利奖金奖1项，澳门国际创新发明展金奖1项。指导学生获挑战杯国家三等奖1项，省挑战杯一等奖1项，哈工大祖光杯金奖1项。获龙江优博重点资助、黑龙江省大学生课外学术科技作品竞赛优秀指导教师奖。

图文：梁博

编辑：范赛飞

出品：红外薄膜与晶体