精准监测：超高灵敏度金刚石二极管温度传感器

器件的稳定性很大程度上取决于工作温度，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。为确保设备稳定运行，使用先进的温度传感器对设备温度进行监测至关重要。在各种类型的温度传感器中，硅二极管温度传感器（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）。

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。

为了实现高灵敏度的温度感应，顺利获得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）。顺利获得测试在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

为分析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) nΦB与温度的变化关系曲线。

最后使用Cheung模型确定了导通电阻（Ron）随温度的变化关系，如图3所示。计算结果表明Ron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。

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