Ультрафиолетовое облучение повышает блокирующее напряжение 4H-SiC PiN диодов: экспериментальные и симуляционные данные

Аннотация

Это исследование исследует влияние 184.9 нм ультрафиолетового (UV) облучения на статическую производительность высоковольтных 4H-SiC PiN диодов. Прямые проводимые характеристики остаются практически неизменными после экспозиции, в то время как обратное блокирующее напряжение вырастает заметно. TCAD симуляции атрибутируют это улучшение расширению обедненной области, вызванному увеличением отрицательного поверхностного заряда. Глубоко-уровневая транзиторная спектроскопия (DLTS) подтверждает, что UV-индуцированные глубокие дефекты доминируют над застрявшими отрицательными зарядами, повышая блокирующее напряжение. Эти находки подчеркивают UV облучение как мощный инструмент для адаптации характеристик SiC силовой электроники.

Введение

Кремний карбид (SiC) быстро становится материалом выбора для силовой электроники нового поколения высокого напряжения и высокой температуры благодаря широкой запрещенной зоне, исключительному критическому электрическому полю, высокой насыщенной скорости электронов и превосходной теплопроводности. SiC устройства готовы заменить кремниевые аналоги в приложениях, требующих напряжения выше 1 кВ, токи превышающие 100 А и рабочие температуры выше 200 °C. Хотя унополярные SiC устройства достигли значительного прогресса, биполярные структуры — особенно 4H-SiC PiN диоды — предлагают дополнительные преимущества модуляции проводимости, позволяющие ультра-высоковольтное выпрямление для умных сетей, накопления энергии и импульсных систем.

Фабрикация SiC силового оборудования обычно использует плазменные техники, такие как сухое травление и спуттерирование, которые могут вводить повреждения и деградировать электрические характеристики. Предыдущая работа показывала, что высокоэнергетическое UV экспозиция деградирует SiC MOSFET через ионную бомбардировку и плазменную фотоэмиссию, и что импульсные UV лазеры могут создавать ловушки у интерфейса оксида в SiC MOS структурах. Однако эффект UV облучения на SiC PiN диоды оставался неизученным, что требовало систематического исследования его влияния на прямые и обратные характеристики.

В этой работе мы экспонируем 4H-SiC PiN диоды 184.9 нм UV светом и оцениваем изменения в прямой проводимости и обратном блокирующем напряжении. TCAD симуляции разъясняют роль накопления поверхностного заряда, в то время как DLTS измерения характеризуют эволюцию состояний интерфейса SiO₂/SiC. Наш комбинированный экспериментально-симуляционный подход раскрывает, что UV облучение генерирует глубокие дефекты, значительно улучшающие блокирующее напряжение без ущерба для прямой проводимости.

Методы

Исследуемый 4H-SiC PiN диод имеет 2 мкм буферный слой (1×10¹⁸ см⁻³) и 60 мкм n-дрифт слой (2×10¹⁴ см⁻³), выросший на 4°-офф-осево сильно легированном n-типе 4H-SiC(0001) подложке. 2 мкм p⁺ анод (2×10¹⁹ см⁻³) завершает структуру. После эпитаксии 2.5 мкм-высокий, 300 мкм-диаметровый изоляционный меза определен индуктивно-связанной плазменной травлей (SF₆/O₂) и двойной Al-имплантацией JTE (1×10¹⁷ см⁻³) для смягчения краевого поля. Активация при 1650 °C 30 мин в Ar. 40 нм термический SiO₂ оксид (1100 °C, 3 ч) следует за 1 ч ростом SiO₂ и HF дИПом для обеспечения безупречной поверхности. Ni/Ti/Al и Ni контакты (анод/катод) отжигают при 800 °C и 1000 °C соответственно, давая удельные сопротивления 1×10⁻⁵ Ом·см² (n-тип) и 3.75×10⁻⁵ Ом·см² (p-тип). Толстый Al оверлей и полиимидная инкапсуляция защищают переднюю сторону при высоковольтном тестировании. SiC-MOS конденсаторы, изготовленные на n-типе (7×10¹⁵ см⁻³) эпитаксиальном слое, предоставляют платформу для DLTS анализа.

Диоды и MOS конденсаторы облучали 72 ч при 184.9 нм (ртутная лампа) в воздухе без смещения. Пост-облученные электрические измерения использовали Вентворт зонд и Agilent B1505A систему. DLTS характеристика использовала PhysTech FT-DLTS систему с обратным смещением V_R = 15 В, импульсным напряжением V_P = 2 В и шириной импульса 1.5 с.

Результаты и обсуждение

Рисунки 2 и 3 сравнивают до- и пост-UV характеристики для устройств D1 и D2 (3.5 мм диаметр, ~10 мм² активная площадь). Прямое падение напряжения практически не меняется (~3.95 В при 100 А/см²), подтверждая, что UV экспозиция не влияет на проводимые пути. В противовес, блокирующее напряжение D1 растет с 7.0 кВ до 9.2 кВ (Δ = 2.2 кВ), а D2 улучшается на 1.7 кВ, приближаясь к теоретическим 9.7 кВ для 60 мкм дрифт-слоя. Начальные ~70% идеального блокирующего напряжения вероятно отражают неоптимальную JTE имплантацию.

Поверхностные ловушки глубоко влияют на распределение электрического поля и таким образом на обратное блокирование. Высокоэнергетический UV (≥5 эВ) может конвертировать напряженные C-C связи в электронные ловушки, увеличивая отрицательный интерфейсный заряд и положительно сдвигая плоско-полосное напряжение. DLTS спектры (Рис. 6) раскрывают две электронные ловушки при 210 К (P1) и 490 К (P2). Амплитуда P2 ловушки вырастает заметно пост-облучения, указывая на более высокую плотность глубоких дефектов. Увеличенная плотность фиксированного заряда привлекает положительные дрифт-слой носители к интерфейсу, расширяя ширину обедненной области и гомогенизируя поле (Рис. 4–5).

Заключение

UV облучение при 184.9 нм селективно повышает блокирующее напряжение 4H-SiC PiN диодов без деградации прямой проводимости. Механизм включает UV-индуцированные глубокие дефекты на интерфейсе SiO₂/SiC, накапливающие отрицательный заряд, привлекающий дрифт-слой носители к поверхности и расширяющий обедненную область. Эта перераспределение заряда смягчает краевую концентрацию поля и приближает блокирующее напряжение устройства к теоретическому пределу. Эти инсайты прокладывают путь к контролируемой UV обработке для оптимизации производительности SiC силовой электроники.

Доступность данных и материалов

Все данные доступны без ограничений.