Ultraviolet bestraling verhoogt blokkeerspanning van 4H-SiC PiN diodes: Experimentele en simulatie inzichten

Samenvatting

Deze studie onderzoekt de impact van 184,9 nm ultraviolet (UV) bestraling op de statische prestaties van hoge-spanning 4H-SiC PiN diodes. Voorwaartse geleidingskarakteristieken blijven vrijwel onveranderd na blootstelling, terwijl de omgekeerde blokkeerspanning aanzienlijk toeneemt. TCAD simulaties schrijven deze verbetering toe aan een uitgebreide depletielaag gedreven door verhoogde oppervlaktenegatieve lading. Diepe-niveau transiente spectroscopie (DLTS) bevestigt dat UV-geïnduceerde diepe-niveau defecten domineren over vastgezette negatieve ladingen, waardoor de blokkeerspanning stijgt. Deze bevindingen benadrukken UV bestraling als een krachtig hulpmiddel voor het afstemmen van SiC vermogensapparaat kenmerken.

Inleiding

Silicon carbide (SiC) ontpoppt zich snel als het materiaal van keuze voor next-generation hoge-vermogen, hoge-temperatuur elektronica vanwege zijn wijd bandgap, uitzonderlijke kritische elektrisch veld, hoge elektronen verzadigingssnelheid en superieure thermische geleiding [1-4]. SiC apparaten zijn gesteld om silicium tegenhangers te vervangen in toepassingen die spanningen boven 1 kV, stromen boven 100 A en werkingtemperaturen boven 200 °C vereisen. Terwijl unipolaire SiC apparaten significant progressie geboekt hebben, bieden bipolaire structuren – met name 4H-SiC PiN diodes – additionele geleidingsmodulatie voordelen die ultra-hoge-spanning rectificatie mogelijk maken voor slimme netwerken, energiedopslag en gepulste energiestelsels [5-8].

Fabricatie van SiC vermogensapparaten gebruikt vaak plasma-gebaseerde technieken zoals droog etsen en sputter depositie, die schade kunnen introduceren en elektrische prestaties degradieren [9,10]. Eerder werk toonde aan dat hoge-energie UV blootstelling SiC MOSFETs degradeert via ionenbombardement en plasma foto-emissie [11,12], en dat gepulste UV lasers nabij-interface oxide vallen in SiC MOS structuren kunnen creëren [13]. Echter, het effect van UV bestraling op SiC PiN diodes blijft onverkend, wat een systematisch onderzoek naar de invloed op voorwaartse en omgekeerde kenmerken rechtvaardigt.

In dit werk blootstellen we 4H-SiC PiN diodes aan 184,9 nm UV licht en beoordelen veranderingen in voorwaartse geleiding en omgekeerde blokkeerspanning. TCAD simulaties verhelderen de rol van oppervlaktelading accumulatie, terwijl DLTS metingen SiO₂/SiC interface toestand evolutie karakteriseren. Onze gecombineerde experimentele-simulatie benadering onthult dat UV bestraling diepe-niveau defecten genereert die de blokkeerspanning aanzienlijk verbeteren zonder voorwaartse geleiding te compromitteren.

Methoden

Het onderzochte 4H-SiC PiN diode bevat een 2 µm bufferlaag (1×10¹⁸ cm⁻³) en een 60 µm n-driftlaag (2×10¹⁴ cm⁻³) gegroeid op een 4°-off-as sterk gedopeerde n-type 4H-SiC(0001) substraat. Een 2 µm p⁺ anode (2×10¹⁹ cm⁻³) kapselt de structuur. Na epitaxie wordt een 2,5 µm hoge, 300 µm diameter isolatie mesa gedefinieerd via geïnduceerde gekoppelde plasma etching (SF₆/O₂) en een dubbele Al-implantatie JTE (1×10¹⁷ cm⁻³) geïntroduceerd om randveldcrowding te mitigeren. Activering gebeurt bij 1650 °C gedurende 30 min in Ar. Een 40 nm SiO₂ thermische oxide (1100 °C, 3 u) volgt een 1 u SiO₂ groei en HF dip om een pristijn oppervlak te garanderen. Ni/Ti/Al en Ni contacten (anode/kathode) worden geanneald bij 800 °C en 1000 °C, respectievelijk, wat specifieke weerstanden van 1×10⁻⁵ Ω cm² (n-type) en 3,75×10⁻⁵ Ω cm² (p-type) oplevert. Een dikke Al overlayer en polyimide encapsulatie beschermen de voorkant tijdens hoge-spanning testen. SiC-MOS condensators, gefabriceerd op een n-type (7×10¹⁵ cm⁻³) epitaxiale laag, bieden een platform voor DLTS analyse.

Diodes en MOS condensators werden 72 u geïrradieerd bij 184,9 nm (kwiklamp) in lucht, zonder bias toegepast. Na bestraling elektrische metingen met een Wentworth probe en Agilent B1505A systeem. DLTS karakterisatie gebruikte een PhysTech FT-DLTS systeem met omgekeerde bias V_R = 15 V, puls spanning V_P = 2 V, en 1,5 s pulsbreedte.

Resultaten en Discussie

Figuren 2 en 3 vergelijken pre- en post-UV kenmerken voor apparaten D1 en D2 (3,5 mm diameter, ~10 mm² actief gebied). Voorwaartse spanningsval is vrijwel onveranderd (≈3,95 V bij 100 A/cm²), wat bevestigt dat UV blootstelling geleidingspaden niet beïnvloedt. In tegenstelling, stijgt de blokkeerspanning van D1 van 7,0 kV naar 9,2 kV (Δ = 2,2 kV), en D2 verbetert met 1,7 kV, naderend de theoretische 9,7 kV voor een 60 µm driftlaag. De initiële ~70 % van de ideale blokkeerspanning reflekteert waarschijnlijk sub-optimale JTE implantatie.

Oppervlaktevallen beïnvloeden elektrisch-velddistributie en dus omgekeerde blokkering diepgaand. Hoge-energie UV (≥5 eV) kan gespannen C-C bindingen omzetten in elektronenvallen, wat negatieve interfacelading verhoogt en de flat-band spanning positief verschuift [11,12]. DLTS spectra (Figuur 6) onthullen twee elektronenvallen bij 210 K (P1) en 490 K (P2). De P2 val amplitude groeit merkbaar na bestraling, wat een hogere dichtheid van diepe defecten aangeeft. De verhoogde vaste lading dichtheid trekt positieve driftlaag ladingsdragers naar de interface, wat de depletiebreedte uitbreidt en het veld homogeniseert (Figuren 4-5).

Conclusies

UV bestraling bij 184,9 nm verhoogt selectief de blokkeerspanning van 4H-SiC PiN diodes zonder voorwaartse geleiding te degraderen. Het mechanisme betreft UV-geïnduceerde diepe-niveau defecten aan de SiO₂/SiC interface die negatieve lading accumuleren, driftlaag ladingsdragers naar het oppervlak aantrekken en de depletie regio uitbreiden. Deze ladingherverdeling mitigeert randveldcrowding en brengt de blokkeerspanning van het apparaat dichter bij de theoretische limiet. Deze inzichten banen de weg voor gecontroleerde UV verwerking om SiC vermogensapparaat prestaties te optimaliseren.