Effect van ultraviolette bestraling op 4H-SiC PiN-diodes Kenmerken

Resultaten en discussie

Het effect van UV-straling op statische kenmerken van SiC PiN wordt getoond in Fig. 2 en 3 waar de kenmerken gemeten voor en na bestraling worden vergeleken voor apparaat 1 (D1) en apparaat 2 (D2). De diameter van ronde SiC PiN-diodes is 3,5 mm en het actieve gebied is ongeveer 10 mm ² . De voorwaartse spanningsval voor SiC PiN is ongeveer 3,95 V bij een stroomdichtheid van 100 A/cm ² voor beide twee apparaten vóór UV-bestraling. In figuur 2 is duidelijk te zien dat er geen significante veranderingen zijn in de forward-on-state-karakteristiek voor twee apparaten, die verandert van 3,95 naar 4,0 V na UV-bestraling. De bereikte blokkeerspanningen van apparaat 1 en apparaat 2 vervaardigd op 60 m dikke n-drift epilaag zijn respectievelijk 7 kV en 7,2 kV bij een lekstroom van minder dan 1 A. Opgemerkt moet worden dat de blokkeerefficiëntie van PiN-diodes ongeveer 70% is van de theoretische waarde van 9,7 kV voor een 60 m dikke driftlaag, wat de onnauwkeurigheid van de onzuiverheidsactivering waarschijnlijk leidt tot afwijking van het optimale JTE-implantatievenster. Na UV-bestraling vertoont de blokkeerspanning van apparaat 1 een opmerkelijke toename van 7 naar 9,2 kV met een verbetering van 2,2 kV, die de ideale parallelle-vlakwaarde nadert. Dienovereenkomstig wordt een verbetering van 1,7 kV bereikt voor apparaat 2 na UV-bestraling.

Forward on state-karakteristiek van 4H-SiC PiN-diode voor en na UV-bestraling

Omgekeerde karakteristiek van 4H-SiC PiN-diode voor en na UV-bestraling

Het is algemeen bekend dat de oppervlaktevallen een significant effect hebben op de distributie van elektrische velden in het eindgebied en vervolgens de omgekeerde blokkeringskarakteristieken in het SiC-vermogensapparaat beïnvloeden. Ikeguchi et al. hebben aangegeven dat hoogenergetische UV-belichting met fotonenergie 5 eV de reeds bestaande gespannen dubbele C-C-bindingen kan transformeren in actieve elektronenvallen, en dus leidt tot de productie van negatief geladen interfacedefecten die worden waargenomen door positieve V _FB verschuiving van C/V-curven [11, 12]. Ondertussen kan het gegenereerde elektron door UV-straling worden opgevangen door deep-trap interface-defecten en dus negatief worden geladen met de toename van de vaste ladingsdichtheid. Afbeelding 4 illustreert de afhankelijkheid van gesimuleerde blokkeringskenmerken van de implantaatconcentratie voor dubbele implantaat JTE SiC PiN-diodes met verschillende negatieve oppervlakteladingen. Het is duidelijk te zien dat de oppervlakteladingen in het JTE-gebied een significant effect hebben op de omgekeerde blokkeringsprestaties, vooral wanneer de JTE-implantaatconcentratie afwijkt van het optimale venster. Voor een gegeven dubbele implantaatbeëindigingsstructuur zou, naarmate de negatieve ladingen van het oppervlak toenemen, een breder optimaal venster van doelblokkeringswaarde kunnen worden bereikt. Het is duidelijk dat de JTE-structuur minder gevoelig is voor de interfacelading onder 1 × 10 ¹¹ cm ⁻² en de blokkeerspanning heeft geen duidelijke verandering. Met een dichtheid van oppervlakteladingen hoger dan 5 × 10 ¹¹ cm ⁻² , zou de doorslagspanning dramatisch toenemen. Verrassend genoeg bereikt de doorslagspanning ongeveer de theoretische waarde met een implantaatvenster van 2 × 10 ¹⁶ cm ⁻³ tot 8 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ bij een dichtheid van oppervlakteladingen van 1 × 10 ¹³ cm ⁻² .

Gesimuleerde doorslagspanning versus JTE-implantaatconcentratie voor negatieve oppervlaktelading, inclusief geen lading, 1 × 10 ¹¹ cm ⁻² , 5 × 10 ¹¹ cm ⁻² , 1 × 10 ¹² cm ⁻² , 5 × 10 ¹² cm ⁻² , en 1 × 10 ¹³ cm ⁻² respectievelijk

Figuur 5 vergelijkt de invloed van de accumulatie van negatieve oppervlaktelading op het elektrisch veldprofiel bij de blokkeringskarakteristiek. De verdeling van het elektrisch veld met de evolutie van het uitputtingsgebied in de 4H-SiC PiN-diodes wordt getoond in figuur 5a. Wanneer de negatieve lading toeneemt tot 5 × 10 ¹² cm ⁻² bij de SiO₂ /SiC (JTE-structuurgebied) interface van SiC PiN, wordt de positieve lading van N-driftlaag verzameld op het interface-oppervlak, wat leidt tot de significante uitbreiding van het uitputtingsgebied [16]. De figuur 5b toont de snijlijn van het elektrische veld onder de JTE/n-drift-regio-overgang met de negatieve ladingsdichtheid van het oppervlak van 1 × 10 ¹¹ en 5 × 10 ¹² cm ⁻² . In het geval van een lage oppervlaktelading van 1 × 10 ¹¹ cm ⁻² , treedt ernstige elektrische veldverdringing op in het randbeëindigingsgebied met een maximale waarde van 2,5 MV / cm en de doorslagspanning is ongeveer 8 kV. Naarmate de ladingsdichtheid toeneemt tot 5 × 10 ¹² cm ⁻² , het elektrische piekveld daalt tot 2,2 MV / cm en de elektrische veldverdringing bij het randbeëindigingsgebied wordt in vergelijking onderdrukt. Ondertussen is de verdeling van het elektrische veld uniformer en neemt de doorslagspanning duidelijk toe. Daarom kan de negatieve oppervlaktelading de uitputting vergroten en de verdringing van het elektrische veld verminderen, wat resulteert in een verbetering van de doorslagspanning.

Gesimuleerde elektrische veldverdelingen van SiC PiN met een negatieve oppervlakteladingsdichtheid van 1 × 10 ¹¹ cm ⁻² en 5 × 10 ¹² cm ⁻² :een elektrische veldverdeling met de evolutie van het uitputtingsgebied b snijlijn van het elektrisch veld onder de JTE/n-drift-regioverbinding. De implantaatconcentratie wordt gebruikt 6 × 10 ¹⁶ cm ⁻³

Om de fysieke mechanismen voor het genereren van door bestraling veroorzaakte elektronische defecten verder te valideren, is een betere elektrische karakterisering van SiO₂ /SiC-interface is vereist om meer details te onderzoeken. DLTS-spectra voor 4H-SiC SiC-MOS-condensatoren werden gekarakteriseerd in uitputting van 15 tot 2 V voor en na UV-bestraling, zoals weergegeven in Fig. 6. Uit de DLTS-spectra werden twee pieken waargenomen in de 4H-SiC MOS-condensatoren, beide eerder en na UV-bestraling, lokaliseren bij respectievelijk 210 K en 490 K. Negatieve DLTS-pieken geven aan dat het P1- en P2-niveau elektronenvallen zijn. Het brede en significante P2-niveau vertoont een significante toename van de piekamplitude, wat betekent dat de concentratie van elektronenvanger wordt verhoogd door UV-straling. Bovendien is gevonden dat het DLTS-signaal proportioneel toeneemt met de vultijd, wat een valvullende kinetiek vertoont die kenmerkend is voor uitgebreide defecten, zoals interface-defecten in plaats van puntdefecten. Het inzetstuk toont de verdelingen van de dichtheid van de interfacetoestand versus de activeringsenergie E_T . De dichtheid van de interfacetoestand wordt berekend door \(D_{{{\text{it}}}} =\varepsilon_{{{\text{sic}}}} C_{{{\text{ACC}}}} AN_{{ \text{D}}} \Delta C/\left[ {C_{R}^{3} kT} \right]\) [17]. Uit de figuur blijkt dat het interfacedefect aanleiding geeft tot een energieband in de bandgap van E _C − 0,65 eV tot E _C − 1,25 eV en zijn dichtheid zijn aanzienlijk toegenomen van 2 × 10 ¹² cm ⁻² eV ⁻¹ tot 6 × 10 ¹² cm ⁻² eV ⁻¹ na UV-bestraling. Door de combinatie van transiënte capaciteitsmetingen, transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie en dichtheid-functionele theorieberekeningen, Dong et al. suggereerde dat deze interface-defecten voortkwamen uit negatief geladen overtollige gespleten interstitiële koolstof op het grensvlak [18]. De P1-piek bij 210 k komt overeen met een elektronenval bij E _C − 0,41 eV. De concentratie ervan vertoont geen essentiële verandering na UV-bestraling, en de P1-val werd voorlopig toegewezen aan puntdefecten in de SiC-epillaag. De atomaire configuratie is echter nog steeds onduidelijk en moet in toekomstig onderzoek worden opgehelderd.

DLTS-spectra voor 4H-SiC PiN-diodes voor en na UV-bestraling. Het inzetstuk toont de D it-distributies voor 4H-SiC PiN-diodes voor en na UV-bestraling