Усовершенствованный силовой выпрямитель 4H-SiC с зарядно-полемодулированным JTE: повышенная эффективность и расширенное окно дозы имплантации

Аннотация

В работе представлен выпрямитель 4H-SiC PiN с номинальным обратным напряжением 13,5 кВ и значительной активной площадью 0,1 см². Предложена структура зарядно-полемодулированного расширения переходного участка (CFM-JTE) для обеспечения ультравысокого обратного напряжения, что расширяет окно толерантности к дозе имплантации JTE примерно в 2,8 раза по сравнению с обычной двухзонной JTE. При этом CFM-JTE может быть реализована с использованием стандартного технологического процесса двухзонной JTE. Измеренный прямой ток достигает 100 А при прямом напряжении 5,2 В без применения технологий увеличения времени жизни носителей заряда. Структура CFM-JTE обеспечивает 96% от теоретического пробойного напряжения параллельно-плоского перехода при относительно небольшой площади терминальной структуры 400 мкм, что позволяет достичь показателя качества по Балиге 58,8 ГВт/см².

Введение

Кремний карбид (SiC) стал новой альтернативой для улучшения силовой электроники благодаря своим характеристикам: более высокое рабочее напряжение при более тонких активных слоях, повышенная плотность мощности, более высокая частота переключения, лучшая теплоотвод, меньшие габариты системы и более низкая стоимость. В последние годы коммерческие SiC-выпрямители и MOSFET имели номинальное напряжение 1,2–1,7 кВ. Однако в таких прикладных областях, как умные сети, электромобили, импульсные источники питания и сверхвысоковольтные полупроводниковые источники питания, растет спрос на способность к удерживанию напряжения более 10 кВ и прямой ток более 1000 А/см².

На данный момент основные проблемы ультравысоковольтных SiC-устройств сосредоточены на производительности технологии терминации переходов, упрощении технологических процессов, качестве толстых эпитаксиальных слоев и снижении поверхностных дефектов. Для ультравысоковольтных SiC-устройств длина терминальной структуры обычно составляет 6–8 толщин эпитаксиального слоя, что резко снижает коэффициент использования подложки и увеличивает себестоимость. Выпрямители 4H-SiC PiN благодаря эффекту проводимости модуляции стали наиболее подходящими кандидатами для ультравысоковольтных приложений. Для структуры ограничивающих полевых колец (FLR) точная оптимизация может быть получена аналитически, однако современная фотолитография не обеспечивает необходимой точности геометрии колец. Новые терминальные структуры FLR для 10 кВ SiC-устройств демонстрируют высокую эффективность обратной защиты, но их площадь превышает 700 мкм, что ведет к дополнительному потреблению SiC-подложки. Расширение переходного участка (JTE) — другая высокоэффективная терминальная защита, но её эффективность крайне чувствительна к дозе имплантации JTE. Для ультравысоких напряжений используются MZ-JTE и CD-JTE, требующие строгих условий ионной имплантации, что усложняет и удорожает производство. Для улучшения проводимости изучались барьерные контакты различных металлов с SiC. Обычно для анодного омического контакта используют пленочку Ti/Al толщиной 50–100 нм, а для катодного — Ni. Активная площадь 4H-SiC выпрямителя существенно влияет на прямые вольт-амперные характеристики. В n-типе эпитаксиального слоя 4H-SiC центр Z₁/₂ (E_C – 0,65 эВ), акцепторный уровень моновакансии углерода, в основном определяет время жизни носителей. Ионная имплантация алюминия приводит к большому количеству глубоких уровней, включая центр Z₁/₂, в периферии мезы и области терминации, снижая время жизни носителей. Поэтому для проектирования и производства 4H-SiC выпрямителей с большой активной площадью (> 9 мм²) влияние уменьшенного времени жизни носителей в периферии мезы и области терминации становится относительно пренебрежимо малым.

В данной работе 4H-SiC выпрямитель PiN с CFM-JTE изготовлен на 100-мкм эпитаксиальном слое с донорской концентрацией 5×10¹⁴ см⁻³ и демонстрирует значительную способность к удерживанию напряжения 13,5 кВ в закрытом состоянии и прямой ток 100 А при V_F = 5,2 В в открытом состоянии. Дифференциальное прямое сопротивление составляет 3,1 мОм·см² при комнатной температуре. CFM-JTE достигает 96% теоретического пробойного напряжения благодаря концепции зарядно-полевой модуляции, что благоприятно расширяет окно толерантности к дозе имплантации и обеспечивает приемлемую длину терминальной структуры 400 мкм.

Методы

Анализ структуры устройства

Проектирование, оптимизация и анализ выполнены с помощью Silvaco-TCAD. На рис. 1 показана схема 4H-SiC PiN-структуры с терминацией: (а) зарядно-полемодулированная JTE (CFM-JTE), (б) JTE с внешними вспомогательными кольцами (ORA-JTE), (в) обычная двухзонная JTE (TZ-JTE). В режиме удерживания скорость ионизации при столкновении электронов и дырок тесно связана с силой электрического поля. Предложена концепция зарядно-электрической модуляции E_q(r) для раскрытия механизма модуляции CFM-JTE через метод векторной суперпозиции терминального электрического поля, вызванного зарядным электрическим полем E_q(r) (рис. 1а). CFM-JTE состоит из областей JTE1, JTE2 и трех групп колец. Множественные кольца эквивалентно делят терминальную область на пять легированных зон: R₁–R₂, R₂–R₃, R₃–R₄, R₄–R₅ и R₅–R₆, где вводятся эффективные заряды Q₁, Q₂, Q₃, Q₄ и Q₅ соответственно. На основе декомпозиции и суперпозиции векторов электрического поля по координатам x и y, общее электрическое поле в точке R_i, вызванное полем приложенного потенциала E_p(r) и зарядным электрическим полем E_Qi(r), генерируемым каждым Q_i, может быть аналитически выражено по направлениям x и y уравнениями (1) и (2).

В закрытом состоянии низколегированная область истощения преждевременно сжимается и прекращается в области терминации из-за эффекта кривизны в основном переходе PiN. Таким образом, поле приложенного потенциала E_p(r) полностью концентрируется на периферии основного перехода. Наличие Q_i способствует расширению области истощения вдоль CFM-JTE до внешнего эпитаксиального слоя. Сила зарядного электрического поля E_Qi связана с величиной Q_i. Уменьшение Q_i вдоль внешнего края терминальной структуры эффективно обеспечивает модуляцию электрического поля в терминальной области. Следовательно, через механизм и эффект зарядно-полевой модуляции CFM-JTE успешно преодолевает недостаток низкого коэффициента диффузии SiC для формирования эффекта вариабельного бокового легирования (VLD), который является высокоэффективной, надежной и зрелой технологией терминальной защиты перехода для Si-устройств. Ширина каждого кольца (w_r) уменьшается соответственно до 15 мкм, 12 мкм и 9 мкм. Промежуток между кольцами равен 5 мкм. Длина и доза областей JTE1 и JTE2 находятся в фиксированном соотношении 3:2. Детальные параметры предложенного выпрямителя приведены в таблице 1.

Моделирование и оптимизация

Для уменьшения отклонений, вызванных чувствительностью структуры устройства и легирования, применяется конфигурация процесса Athena. Легирование CFM-JTE формируется через многошаговую симуляцию процесса ионной имплантации алюминия. Общая глубина легирования достигает почти 1 мкм.

Рис. 2 показывает пробойные способности и толерантность к дозе имплантации для CFM-JTE, ORA-JTE и обычной TZ-JTE. Все четыре терминальные структуры имеют фиксированную длину L = 400 мкм для сравнения их эффективности. Длина и доза JTE1 и JTE2 фиксированы в соотношении 3:2. Моделирование выполняется на 2D-структуре, критерием пробоя служит достижение обратного тока утечки 1×10⁻⁹ А. Черная сплошная линия представляет теоретическое BV, рассчитанное как 14,1 кВ, серая пунктирная линия указывает 12 кВ. Запас проектирования 20% применяется к цели 10 кВ с учетом технологических допусков и отклонений моделирования. В обычной TZ-JTE пробойное напряжение очень чувствительно к дозе имплантации и превышает 12 кВ только при дозе 0,98–1,14×10¹³ см⁻². Чувствительность ORA-JTE к концентрации имплантации JTE снижена, получено более широкое окно толерантности 0,97–1,28×10¹³ см⁻² для поддержания целевого напряжения выше 12 кВ. CFM-JTE демонстрирует наиболее широкое окно толерантности дозы имплантации в диапазоне 0,86–1,30×10¹³ см⁻², что примерно в 2,8 раза больше, чем у обычной TZ-JTE, и в 1,4 раза больше, чем у ORA-JTE. Таким образом, CFM-JTE показывает лучшую устойчивость к технологическим вариациям.

Рис. 3 демонстрирует сравнение распределения и интенсивности поверхностного электрического поля в закрытом состоянии для CFM-JTE, ORA-JTE и TZ-JTE. Пиковое электрическое поле в основном сосредоточено в основном переходе и периферии терминальной структуры. CFM-JTE эффективно выравнивает распределение электрического поля и способствует повышению его напряженности вдоль терминальной области, что в конечном счете эффективно улучшает способность к удерживанию напряжения.

Для понимания механизма модуляции зарядного электрического поля CFM-JTE на рис. 4 показаны распределения пробойного электрического поля по сечению AA' (рис. 1а) при разных дозах имплантации JTE1. Наличие Q_i, особенно высоколегированной зоны Q₁ рядом с основным переходом, значительно облегчает концентрацию силовых линий электрического поля в углу мезы после травления. Зона Q₅ задается для смягчения перегрузки электрического поля в точке R₅ (рис. 1а). Результаты показывают, что однородность распределения электрического поля может быть эффективно улучшена через модуляцию зарядного электрического поля E_Qi(r) в терминальной области. Таким образом, способность к удерживанию пробойного напряжения и надежность устройства могут быть повышены.

Размер терминальной области напрямую влияет на эффективность использования кристалла. В закрытом состоянии поле приложенного потенциала кластеризуется вокруг периферии основного перехода. Область JTE1 рядом с основным переходом должна вводить больше зарядов для усиления эффекта модуляции зарядного поля (E_q). Поэтому L₁ должна быть больше L₂. При фиксированном соотношении L₁ к L₂ как 3:2 сравнительно анализируются пробойные способности разных длин терминальной структуры L на рис. 5.

Соответствующие распределения электрического поля показаны на рис. 6. Большая площадь CFM-JTE способствует увеличению необходимого заряда Q_i и полной реализации эффекта модуляции E_Qi(r), что позволяет получить более широкое окно толерантности к дозе имплантации JTE (TW). При длине CFM-JTE L = 300, 350, 400 и 450 мкм диапазон TW последовательно увеличивается, соответствующе 3×10¹², 3,2×10¹², 4,4×10¹² и 4,7×10¹² см⁻² при условии BV > 12 кВ. Более уместно выбрать длину терминальной структуры L = 400 мкм в данной работе, исходя из компромисса между размером терминальной структуры, окном толерантности дозы JTE, модуляцией терминального электрического поля и пробойной способностью.

При реальном производстве 4H-SiC PiN выпрямителей необходимо учитывать наличие поверхностных состояний. Эти состояния возникают из-за дыр, захваченных в глубоких интерфейсных состояниях, фиксированных оксидных зарядов интерфейса P-SiC (включая P⁺⁺ слой и P-JTE область)/SiO₂ и технологического процесса. Для терминации CFM-JTE анализируется модуляция электрического поля на интерфейсах S₁ и S₂ положительными интерфейсными зарядами (Q_it), эффективными зарядами (Q_j) и приложенным потенциалом в вертикальном направлении (рис. 7).

Положительные интерфейсные заряды (Q_it) генерируют противоположное зарядное поле (E_Qity) по сравнению с полем приложенного потенциала (E_py), помогая смягчить напряженность электрического поля в направлении вертикального интерфейса. Рис. 8 демонстрирует распределения электрического поля в интерфейсе SiO₂/SiC S₁ при разных Q_it.

В анализе модуляции зарядного поля на интерфейсе S₂, E_Qity направлено противоположно векторному направлению E_py и E_Qjy. Наличие Q_it помогает снизить электрическое поле в S₂. Учитывая наличие интерфейсного заряда (Q_it), требуется больший ионизационно-эффективный заряд Q_j для компенсации интенсивности электрического поля, создаваемого Q_it. Следовательно, когда количество Q_it увеличивается, оптимальная доза имплантации JTE должна быть одновременно повышена для сохранения той же пробойной способности. Как показано на рис. 9, общая кривая BV–Dose смещается в сторону увеличения с ростом Q_it.

Результаты и обсуждение

Предложенный 4H-SiC PiN выпрямитель с CFM-JTE изготовлен на 4-дюймовой n-типе подложке с 4° отклонением от оси (0001). Подложка выросшая эпитаксией с четырьмя слоями (N⁺, N⁻, P⁺, P⁺⁺) с концентрациями 1×10¹⁸, 5×10¹⁴, 1×10¹⁸ и 5×10¹⁹ см⁻³ соответственно. Основной технологический процесс изготовления CFM-JTE показан на рис. 10. Слой P⁺⁺ выращен эпитаксией для получения однородного и высокого легирования, способствующего качеству омического контакта между SiC и анодным металлом. Меза-структура формируется в установке ICP-RIE через маску меза-травления. Травящий газ состоит преимущественно из SF₆ и кислорода. Множественные имплантации ионов алюминия выполняются при максимальной энергии 500 кэВ для формирования структуры CFM-JTE. Двухступенчатая имплантация ионов Al используется для формирования пяти убывающих легированных зон. JTE1 и зоны R₂–R₃ формируются через первую имплантационную маску. JTE2, R₁–R₂, R₃–R₄, R₄–R₅ и R₅–R₆ настраиваются одновременно имплантацией ионов Al через вторую имплантационную маску. Известно, что выход ионов активации в карбиде кремния невысок после имплантации высокоэнергетическими ионами, сопровождаясь серьезным повреждением решетки. Для улучшения этой ситуации имплантация ионов алюминия выполняется при температуре 500 °C через оксидную маску. Послеимплантационное отжиг проводится в инертной аргоновой атмосфере при 1800 °C в течение 10 мин с углеродной крышкой для восстановления повреждений, вызванных высокоэнергетической имплантацией, и повышения точности легирования за счет увеличения эффективного выхода активации ионов. P-типе SiC омический контакт формируется из Al/Ti. Процесс RTA последовательно выполняется и проверяется в течение двух минут в инертной азотной среде при 1000 °C. Высококачественные пассивирующие слои (SiO₂, Si₃N₄ и толстый полиимидный слой) наносятся для предотвращения поверхностной утечки и избегания пробоя в воздухе. CFM-JTE PiN выпрямитель покрывает активную площадь до 0,1 см². Процесс изготовления соответствует обычному процессу двухзонной JTE 4H-SiC PiN выпрямителя без дополнительных масок или технологических шагов, что крайне способствует снижению сложности и стоимости производства.

Прямые характеристики изготовленного CFM-JTE PiN выпрямителя тестированы на подложке с помощью прибора CS-3200 Curve Tracer. Изготовленный выпрямитель демонстрирует большую способность к проведению прямого тока без технологий увеличения времени жизни носителей. Прямой ток измерен до 100 А при прямом напряжении 5,2 В (рис. 11). Дифференциальное прямое сопротивление составляет 3,1 мОм·см² при комнатной температуре, соответствующее прямому напряжению 3,6 В. Прямые вольт-амперные характеристики при разных температурах также показаны на вставке рис. 11. Кривая I–V показывает отрицательный температурный коэффициент. Это связано с тем, что при повышении температуры подвижность материала уменьшается, в то время как более узкая запрещенная зона SiC снижает самовстроенный потенциал P–N перехода, а время жизни носителей в дрейфовом регионе увеличивается с ростом температуры, что приводит к увеличению плотности тока. Измеренное напряжение включения определено при плотности прямого тока 10 А·см⁻². Оно постепенно снижается с 3,14 до 3,04 В при повышении окружающей температуры от 25 до 150 °C. Максимальное смещение напряжения включения ограничено диапазоном 3%, соответствующим 0,1 В, что демонстрирует гораздо лучшую температурную стабильность по сравнению с Si PiN.

4H-SiC PiN выпрямители с CFM-JTE, ORA-JTE и обычной TZ-JTE изготовлены на 4-дюймовой подложке, и их терминальная защита показана на рис. 12. Измерения обратного пробойного напряжения выполнялись с погружением в масло Fluorinert для предотвращения дугового разряда в воздухе. В экспериментальных измерениях при дозе JTE1 1,2×10¹³ см⁻² PiN выпрямители с ORA-JTE и обычной TZ-JTE показали способность к удерживанию напряжения 12,5 кВ и 9,6 кВ соответственно при той же длине терминальной структуры 400 мкм.

Многопартийные образцы CFM-JTE PiN выпрямителей неоднократно показывали пробойное напряжение 13,5 кВ при токе утечки 10 мкА. Экспериментальное пробойное напряжение достигает 96% от теоретического значения, что указывает на более высокую эффективность терминальной защиты CFM-JTE. Достигнуто удерживаемое напряжение более 130 В/мкм в 100-мкм дрейфовом слое 4H-SiC PiN выпрямителя. Показатель качества по Балиге (BFOM = BV²/R_on,sp) достигает 58,8 ГВт/см² при комнатной температуре. Изготовлены CFM-JTE PiN с разными дозами имплантации JTE1. Экспериментальные и смоделированные значения пробойного напряжения изображены на рис. 12b. Экспериментальные значения соответствуют тенденции моделирования и подтверждают, что структура CFM-JTE эффективно расширяет окно толерантности к дозе JTE. Таблица 2 сравнивает характеристики недавних ультравысоковольтных 4H-SiC выпрямителей. CFM-JTE 4H-SiC выпрямитель, изготовленный в данной работе, показывает отличную производительность по ультравысоковольтной удерживающей способности, ультравысокой способности к проведению прямого тока и высокой эффективности терминации.

Заключение

В данной работе успешно спроектирован и изготовлен 4H-SiC PiN выпрямитель с CFM-JTE. Экспериментальное пробойное напряжение CFM-JTE PiN составляет 13,5 кВ, что соответствует 96% теоретического значения. CFM-JTE демонстрирует значительно улучшенную эффективность терминальной защиты по сравнению с ORA-JTE (BV = 12,5 кВ, эффективность до 88%) и обычной TZ-JTE (BV = 9,6 кВ, эффективность до 68%). CFM-JTE PiN выпрямитель обеспечивает большой прямой ток 100 А при V_F = 5,2 В без использования технологий увеличения времени жизни носителей и демонстрирует стабильные прямые I–V характеристики при различных температурах. Показатель качества по Балиге для CFM-JTE PiN выпрямителя достигает 58,8 ГВт/см² при комнатной температуре. Толерантность окна дозы имплантации для CFM-JTE расширена на основе зарядно-полевой модуляции, что составляет примерно 2,8 раза по сравнению с обычной TZ-JTE и 1,4 раза по сравнению с ORA-JTE, демонстрируя гораздо лучшую устойчивость к технологическим вариациям. Кроме того, технологический процесс для CFM-JTE соответствует обычному процессу TZ JTE без увеличения числа исключительно сложных процессов или масок, что показывает, что CFM-JTE оптимален для ультравысокомощных приложений с удовлетворительной терминальной эффективностью и технологической толерантностью.