Verbeterde 4H‑SiC‑stroomrichtende gelijkrichter met gelaadsveldmogelijke JTE: verbeterde efficiëntie en dosistolerantie

Samenvatting

In dit artikel wordt een 13,5 kV 4H-SiC PiN-gelijkrichter met een aanzienlijk actief oppervlak van 0,1 cm² gepresenteerd. Een gelaadsveldmogelijke junction termination extension (CFM-JTE) is voorgesteld om te voldoen aan de eis van ultra-hoge terugkeerspanning, wat het JTE-dosis-tolerantievenster vergroot tot ongeveer 2,8 keer dat van de conventionele twee-zones JTE. Bovendien kan de CFM-JTE geïmplementeerd worden via het conventionele twee-zones JTE-proces. De gemeten doorstroom is tot 100 A @ V_F = 5,2 V zonder toepassing van carrier-lifetime-versterkingstechnologie. De CFM-JTE-structuur bereikt 96% van de theoretische doorlaagspanning van de parallelle vlakkejunctie met een relatief kleine terminaloppervlakte van 400 µm, wat bijdraagt aan het behalen van Baliga's figure of merit van 58,8 GW/cm².

Inleiding

Siliciumcarbide is een nieuwe optie voor het verbeteren van stroomtoepassingen vanwege de kenmerken van hogere spanning met dunne actieve lagen, uitgebreide energiedichtheid, hogere schakelfrequentie, betere warmteafvoering, kleiner systeemformaat en lagere systeemkosten [1, 2]. In de afgelopen jaren zijn commerciële SiC-gelijkrichters en MOSFETs gewaardeerd op 1,2–1,7 kV. Echter, in representatieve toepassingsgebieden zoals slimme netten, elektrische voertuigen, pulsstroomvoorzieningen en ultra-hoge-spanning vaste-stofstroomvoorzieningen, is er een toenemende vraag naar blokkeervermogen van meer dan 10 kV en doorstroomvermogen van meer dan 1000 A cm⁻².

Tot nu toe richten de belangrijkste uitdagingen voor 10 kV en hogere SiC-stroomelektronische apparaten zich op de prestaties van de junction-terminatietechnologie, vereenvoudiging van fabricageprocessen, hoge kwaliteit van dikke epitaxiale lagen en reductie van oppervlakte-defecten. Voor ultra-hoge-spanning SiC-apparaten is de lengte van de terminalstructuur meestal 6–8 keer de epitaxiale dikte [3], wat de benutting van de wafer aanzienlijk vermindert en dus de fabricagekosten verhoogt. 4H-SiC PiN-gelijkrichters zijn de meest geschikte kandidaten voor ultra-hoge-spanningstoepassingen als gevolg van het geleidingsmodulatie-effect. Voor de field limiting ring (FLR)-structuur kan een nauwkeurig ontwerp verkregen worden via analytische berekening [4], terwijl de huidige fotolithografie de nauwkeurige ruimte en breedte van de ringen niet kan realiseren. Een nieuwe field limiting ring-terminal voor 10 kV SiC-apparaten is toegepast om een hoge terugkeerbeschermingsefficiëntie te bereiken [5, 6], maar de terminaloppervlakte overschrijdt 700 µm, wat leidt tot extra verbruik van de SiC-wafer. Junction termination extension (JTE) is een andere veelgebruikte hoge-efficiënte terminalbeschermingsstructuur, maar de efficiëntie ervan is extreem gevoelig voor de JTE-dosis. Voor ultra-hoge-spanningsniveaus worden MZ-JTEs en CD-JTEs [7] gebruikt om het elektrisch veld kritisch te moduleren en vereisen strikte ionimplantatievoorwaarden en -tijden, wat de productiecomplexiteit en -kosten verhoogt. Om de geleiding te verbeteren, is onderzoek gedaan naar de kenmerken van de barrièrehoogte tussen diverse metalen en SiC [8, 9]. Meestal wordt een 50–100 nm dikke Ti/Al-film gevormd voor de anode-ohmische contact en een Ni-film voor de kathode-ohmische contact. Bovendien beïnvloedt de schaal van het actieve oppervlak van de 4H-SiC-gelijkrichter de doorstroomkarakteristieken sterk. Er is gevonden dat in de 4H-SiC N-type epitaxiale laag het Z_1/2-centrum (E_C—0,65 eV), het acceptor-niveau van de koolstofmonovacantie, voornamelijk de carrier-lifetime beïnvloedt [10]. Aluminium-ionimplantatie leidt tot een grote concentratie van diepe niveaus met betrekking tot het Z_1/2-centrum in de mesa-rand en junction-terminatieregio [11], wat resulteert in een afname van de carrier-lifetime. Daarom zijn 4H-SiC-gelijkrichters met een groot actief oppervlak (> 9 mm²) vereist in ontwerp en fabricage, zodat de impact van de verminderde carrier-lifetime in de mesa-rand en terminatieregio relatief verwaarloosbaar is.

In dit artikel wordt de 4H-SiC CFM-JTE PiN-gelijkrichter geproduceerd op een 100-µm epitaxiale laag van 5 × 10¹⁴ cm⁻³ en bereikt een aanzienlijk blokkeervermogen van 13,5 kV in de uit-stand en doorstroom van 100 A @ V_F = 5,2 V in de aan-stand. De differentiële aan-weerstand van de CFM-JTE PiN-gelijkrichter meet 3,1 mΩ cm² bij kamertemperatuur. De CFM-JTE bereikt 96% van de theoretische doorlaagspanning via het concept en de analyse van gelaadsveldmogelijkheid, wat het tolerante venster van de implantatiedosis gunstig vergroot en leidt tot een acceptabele terminatielengte van 400 µm.

Methoden

Apparaatstructuuranalyse

Het ontwerp, de optimalisatie en de analyse worden uitgevoerd met Silvaco-TCAD. Figuur 1 toont het schematische overzicht van de 4H-SiC PiN-structuur met terminatie, met inbegrip van: (a) gelaadsveldmogelijke (CFM-JTE), (b) uit-ringer-ondersteunde JTE (ORA-JTE), en (c) twee-zones JTE (TZ-JTE). In de blokkeerstaat is de elektronen-gaten botsingsionisatiesnelheid nauw verbonden met de elektrisch veldsterkte. Een concept van gelaadsveldmogelijkheid E_q(r) wordt voorgesteld om het modulatiemechanisme van de CFM-JTE te onthullen via de vector-superpositiemethode van het terminale elektrisch veld veroorzaakt door het gelaadsveldmogelijkheidsveld E_q(r) in Fig. 1a. De CFM-JTE bestaat uit JTE1-regio, JTE2-regio en drie groepen ringen. De meerdere ringen verdelen de terminal equivalent in vijf gedopeerde zones: R₁-R₂, R₂-R₃, R₃-R₄, R₄-R₅ en R₅-R₆, waar effectieve ladingen Q₁, Q₂, Q₃, Q₄ en Q₅ respectievelijk worden geïntroduceerd. Gebaseerd op de decompositie en superpositie van elektrisch veldvectoren bij x en y coördinaten, kan het algemene elektrisch veld gelegen in R_i punt veroorzaakt door het toegepaste potentiaalsveld E_p(r) en het gelaadsveldmogelijkheidsveld E_Qi(r) gegenereerd door elke Q_i analytisch worden uitgedrukt in de x en y richtingen, zoals gegeven in Vergelijkingen (1) en (2).

$$E_{Ri, x} = E_{px} + \sum_{j = 1}^{i - 1} E_{Qjx} - \sum_{j = i}^{5} E_{Qjx}$$ (1)

$$E_{Ri,y} = E_{py} + \sum_{j = 1}^{i - 1} E_{Qjy} + \sum_{j = i}^{5} E_{Qjy}$$ (2)

In de uit-stand trekt de laag-gedopeerde uitgediende regio voortijdig samen en stopt in de terminatieregio als gevolg van het krommingseffect in de PiN-hoofdknooppunt. Daarom is het toegepaste potentiaalsveld E_p(r) volledig geconcentreerd aan de hoofdknooppuntperiferie. Het bestaan van Q_i bevordert de uitgediende zone langs de CFM-JTE naar de uiterste epitaxiale laag. De sterkte van het gelaadsveldmogelijkheidsveld E_Qi is geassocieerd met de hoeveelheid Q_i. De afname van Q_i langs de terminale uiterste rand bereikt effectief de elektrisch veldmodulatie in de terminale regio. Gevolgd, door het mechanisme en effect van gelaadsveldmogelijkheid, overwint CFM-JTE effectief het tekortkoming van de lage diffusiecoëfficiënt van SiC om het gevarieerde laterale doping (VLD)-effect te vormen, wat een hoog effectieve, robuuste en rijpe junction-terminal beschermingstechnologie is voor Si-apparaten [12, 13]. De ringbreedte (w_r) van elke groep wordt respectievelijk verminderd tot 15 µm, 12 µm en 9 µm. De ruimte van elke ring is gelijk aan dezelfde waarde van 5 µm. De lengte en dosis van de JTE1-regio en de JTE2-regio zijn beide in een vaste verhouding van 3:2. De gedetailleerde parameters van de voorgestelde gelijkrichter zijn gegeven in Tabel 1.

Simulatie en optimalisatie

Om de afwijkingen te verminderen die veroorzaakt worden door de gevoeligheid van de apparaatstructuur en dopingconcentraties, wordt de verwerkingsconfiguratie Athena toegepast. De dopingconcentraties van de CFM-JTE worden gevormd door meerdere stappen van aluminium-implantatieprocessimulatie. De totale diepte van doping bereikt bijna 1 µm.

Figuur 2 toont de blokkeercapaciteiten en de tolerantie ten aanzien van implantatiedosis van CFM-JTE, ORA-JTE en conventionele TZ-JTE. De vier terminatiestructuren delen een vaste lengtewaarde van L = 400 µm om hun efficiëntie te vergelijken. Zowel de lengte als dosis van JTE1 en JTE2 zijn vastgezet op een verhouding van 3:2. De simulatie wordt uitgevoerd op de 2-D structuur, en de doorlaagbeoordelingscriterium is dat de terugkeerstroom 1 × 10⁻⁹ A bereikt. De zwarte doorgetrokken lijn vertegenwoordigt de theoretische BV die berekend is als 14,1 kV volgens [10, 14], en de grijze streepjeslijn duidt 12 kV aan. Een ontwerpmarge van 20% wordt toegepast in het doel voor 10 kV rekening houdend met processtolerantie en simulatieafwijking. In de conventionele TZ-JTE is de doorlaagspanning zeer gevoelig voor de implantatiedosis en bereikt meer dan 12 kV alleen wanneer de dosis varieert tussen 0,98 en 1,14 × 10¹³ cm⁻². De gevoeligheid van ORA-JTE voor JTE-injectieconcentratie wordt verlicht, en een bredere tolerantievenster van 0,97–1,28 × 10¹³ cm⁻² wordt verkregen om de doelen spanning boven 12 kV te handhaven. De CFM-JTE heeft de breedste tolerantie van het implantatiedosisvenster in een bereik van 0,86–1,30 × 10¹³ cm⁻², wat ongeveer 2,8 keer zo groot is als de conventionele TZ-JTE en 1,4 keer zo groot als ORA-JTE. Dus toont de CFM-JTE betere robuustheid voor procesvariaties.

Figuur 3 toont de vergelijking van de oppervlakte-elektrisch veldverdeling en -intensiteit van CFM-JTE, ORA-JTE en TZ-JTE in de blokkeerstaat. De piekelektrisch veld is voornamelijk geconcentreerd in de hoofdknooppunt en de terminale periferie. CFM-JTE maakt de elektrisch veldverdeling effectiever gelijkmatig en bevordert de elektrisch veldsterkte langs de terminal, wat uiteindelijk de blokkeercapaciteit efficiënt verbetert.

Om het mechanisme van CFM-JTE die het gelaadsveldmogelijkheidsveld moduleert te begrijpen, worden de verdelingen van het doorlaag-elektrisch veld over de AA'-snijlijn in Fig. 1a met verschillende implantatiedoses van JTE1 geplot in Fig. 4. Het bestaan van Q_i, met name de hoog-gedopeerde Q₁-zone naast de hoofdknooppunt, verlicht de concentratie van elektrisch veldlijnen aan de mesa-etshoek enorm. De Q₅-zone is ingesteld om de elektrisch veldopstapeling in het R₅-punt in Fig. 1a te verlichten. De resultaten tonen aan dat de uniformiteit van de elektrisch veldverdeling effectief kan worden verbeterd door de modulatie van het gelaadsveldmogelijkheidsveld E_Qi(r) in de terminal. Dus kunnen de blokkeerspanningscapaciteit en de betrouwbaarheid van het apparaat worden verbeterd.

De grootte van de terminaloppervlakte beïnvloedt de efficiëntie van de chipbenutting direct. In de blokkeerstaat is het toegepaste potentiaalsveld geclusterd rond de hoofdknooppuntperiferie. De JTE1-regio dichtbij de hoofdknooppunt moet meer ladingen introduceren om het modulatie-effect van het gelaadsveldmogelijkheidsveld (E_q) te versterken. Daarom moet L₁ langer ingesteld worden dan L₂. Wanneer de verhouding van L₁ tot L₂ vastgezet is op 3:2, worden de blokkeercapaciteiten van verschillende lengtes L op de terminal vergelijkend geanalyseerd in Fig. 5.

De corresponderende elektrisch veldverdelingen worden weergegeven in Fig. 6. De grootschalige oppervlakte van CFM-JTE is gunstig voor het verhogen van de vereiste lading Q_i en het volledig benutten van het modulatie-effect van E_Qi(r), om een groter implantatiedosis-tolerantievenster (TW) te verkrijgen. Wanneer de CFM-JTE-lengte L ingesteld is op 300 µm, 350 µm, 400 µm en 450 µm, neemt het TW-bereik achtereenvolgens toe, overeenkomend met 3 × 10¹² cm⁻², 3,2 × 10¹² cm⁻², 4,4 × 10¹² cm⁻² en 4,7 × 10¹² cm⁻² in bereik op voorwaarde dat de BV meer dan 12 kV is. Het is meer geschikt om een terminallengte L van 400 µm in dit werk te selecteren, gebaseerd op de afweging van terminalgrootte, JTE-dosis-tolerantievenster, terminale elektrisch veldmodulatie en doorlaagspanningscapaciteit.

Het bestaan van toestanden aan de oppervlakte moet overwogen worden bij de daadwerkelijke fabricage van de 4H-SiC PiN-gelijkrichter. Deze oppervlaktetoestanden afkomstig zijn van gaten gevangen in diepe interface-toestanden, vaste oxide-ladingen van P-SiC (met inbegrip van P⁺⁺-laag en P-JTE-regio)/SiO₂-interface en het implementatieproces [15,16,17,18]. Voor de CFM-JTE-terminatie wordt de elektrisch veldmodulatie aan de interface S₁ en S₂ door interface-positieve lading (Q_it), effectieve lading (Q_j) en toegepast potentiaal in de verticale richtinge geanalyseerd in Fig. 7.

Positieve interface-ladingen (Q_it) genereren een tegenovergesteld gelaadsveldmogelijkheidsveld (E_Qity) vergeleken met het toegepaste potentiaalsveld (E_py), wat helpt de elektrisch veldsterkte in de richting van de verticale interface te verlichten. Figuur 8 toont de elektrisch veldverdelingen in SiO₂/SiC-interface S₁ onder voorwaarden van verschillende Q_it.

Wat betreft de gelaadsveldmogelijkheidsanalyse aan interface S₂, is E_Qity tegengesteld aan de vectorrichting van E_py en E_Qjy. Het bestaan van Q_it helpt het elektrisch veld in S₂ te reduceren. Rekening houdend met het bestaan van de interfacelading (Q_it), is een grotere ionisatie-effectieve lading Q_j vereist om de elektrisch veldintensiteit gegenereerd door de Q_it te neutraliseren. Gevolgd, wanneer de hoeveelheid Q_it toeneemt, moet de optimale implantatiedosisconcentratie van JTE tegelijkertijd verhoogd worden om hetzelfde blokkeervermogen te handhaven. Zoals getoond in Fig. 9, verschuift de algehele BV-Dose-curve in de richting van stijging met de toename van Q_it.

Resultaten en discussie

De voorgestelde CFM-JTE 4H-SiC PiN-gelijkrichter is geproduceerd in een 4-inch N-type wafer met 4° off-axis (0001). De wafer is gegroeid via epitaxie met vier lagen (N⁺, N⁻, P⁺, P⁺⁺) overeenkomend met de concentratie van 1 × 10¹⁸ cm⁻³, 5 × 10¹⁴ cm⁻³, 1 × 10¹⁸ cm⁻³ en 5 × 10¹⁹ cm⁻³. Het belangrijkste procesverloop van de CFM-JTE-fabricage wordt weergegeven in Fig. 10. De P⁺⁺-laag wordt gegroeid via epitaxie om uniforme en hoge doping te verkrijgen om de ohmische contactkwaliteit tussen SiC and anodemetaal te bevorderen. De mesa-etsstructuur wordt gevormd in de ICP-RIE-faciliteit via de mesa-etsmasker. Het etsgas bestaat voornamelijk uit SF₆ en zuurstof. Meerdere Al-ionimplantaties worden uitgevoerd bij een maximale energie van 500 keV om de CFM-JTE-structuur te vormen. Een twee-staps Al-ionimplantatie wordt toegepast om de vijf afnemende gedopeerde zones te vormen. JTE1 en R₂-R₃-zones worden gevormd via de eerste implantatiemasker. JTE2, R₁-R₂, R₃-R₄, R₄-R₅ en R₅-R₆-regio's worden gelijktijdig geconfigureerd door de Al-ionimplantatie via de tweede implantatiemasker. Zoals bekend is, is de ionactiveringsgraad in siliciumcarbide niet hoog na implantatie met hoge-energie-ionen, vergezeld van ernstige roosterbeschadiging. Om de bovenstaande ongewenste situatie te verbeteren, worden de aluminium-ionimplantaties uitgevoerd bij een temperatuur van 500 °C via een oxidemasker. Na-implantatie-annealing is uitgevoerd in argon-atmosfeer bij een temperatuur van 1800 °C gedurende 10 min met een koolstofkap om de schade door hoge-energie-ionimplantatie verder te herstellen en de nauwkeurigheid van de dopingconcentratie te verbeteren door de effectieve ionactiveringsgraad te verhogen. P-type SiC ohmisch contact wordt gevormd met Al/Ti. Het RTA-proces wordt consistent uitgevoerd en gecontroleerd gedurende twee minuten in een inerte stikstofomgeving bij een temperatuur van 1000 °C. Hoogwaardige passivatielagen (SiO₂-laag, Si₃N₄-film en dikke polyimide-laag) worden gedeponeerd om oppervlaktelekken te voorkomen en vonkontsteking in lucht te vermijden [5]. De CFM-JTE PiN-gelijkrichter dekt een actief oppervlak van maximaal 0,1 cm². Het fabricageproces is consistent met de conventionele twee-zones JTE 4H-SiC PiN-gelijkrichter, zonder extra maskers of processtappen, wat extreem gunstig is voor het verminderen van de productiecomplexiteit en -kosten.

De doorstroomkarakteristieken van de geproduceerde CFM-JTE PiN-gelijkrichter worden getest op de wafer met behulp van het CS-3200 Curve Tracer-instrument. De geproduceerde CFM-JTE PiN-gelijkrichter toont een grote capaciteit voor doorstroomgeleiding zonder carrier-lifetime-versterkingstechnologie. De doorstroom meet tot 100 A corresponderend met een doorstroomspanning van 5,2 V, zoals getoond in Fig. 11. De differentiële aan-weerstand van de voorgestelde gelijkrichter meet 3,1 mΩ cm² bij kamertemperatuur, corresponderend met de doorstroomspanning van 3,6 V. De doorstroomgeleidingskarakteristieken bij verschillende temperaturen worden ook geïllustreerd in het inset van Fig. 11. De I-V-kromme toont een negatieve temperatuurcoëfficiënt-eigenschap. Dit komt doordat naarmate de temperatuur stijgt, de mobiliteit van het materiaal afneemt, terwijl de kleinere bandkloof van het SiC-materiaal de ingebouwde potentiaal van de P-N-knooppunt vermindert, en de carrier-lifetime van de drift-regio verlengt met de toename van de temperatuur, wat leidt tot een toename van de stroomdichtheid. De gemeten inschakelspanning is gedefinieerd bij een doorstroomdichtheid van 10 A·cm⁻². Deze daalt geleidelijk van 3,14 tot 3,04 V wanneer de omgevingstemperatuur stijgt van 25 tot 150 °C. De maximale verschuiving van de doorstroominschakelspanning is beperkt tot een bereik van 3%, corresponderend met een waarde van 0,1 V, wat een veel betere temperatuurstabiliteit vertoont dan Si PiN.

De 4H-SiC PiN-gelijkrichters met CFM-JTE, ORA-JTE alsook conventionele TZ-JTE zijn geproduceerd op de 4-inch wafer, en hun terminalbeschermingseffecten worden getoond in Fig. 12. Omgekeerde doorlaagspanningsmetingen worden uitgevoerd en in Fluorinert-olie gedoopt om boogontlading in de lucht te vermijden. In experimentele metingen met JTE1-dosis van 1,2 × 10¹³ cm⁻² verkrijgen de PiN-gelijkrichters met ORA-JTE en de conventionele TZ-JTE blokkeercapaciteiten van respectievelijk 12,5 kV en 9,6 kV, met dezelfde terminallengte van 400 µm.

Multi-batch monsters van CFM-JTE PiN-gelijkrichters kunnen herhaaldelijk de doorlaagspanning van 13,5 kV verkrijgen bij een lekkagestroom van 10 µA. De experimentele blokkeerspanning bereikt tot 96% van de theoretische doorlaagwaarde, wat aangeeft dat de CFM-JTE een hogere terminalbeschermingsefficiëntie heeft. Een standspanning van meer dan 130 V/µm is bereikt in de 100 µm driftlaag van de 4H-SiC PiN-gelijkrichter. Baliga's figure of merit (BFOM = BV²/R_on,sp) bereikt 58,8 GW/cm² bij kamertemperatuur. CFM-JTE PiNs met verschillende JTE1-implantatiedoses zijn geproduceerd. De experimentele en gesimuleerde waarden van de doorlaagspanning worden afgebeeld in Fig. 12b. De experimentele waarden zijn in overeenstemming met de simulatiemodus en bevestigen dat de CFM-JTE-structuur het JTE-dosis-tolerantievenster effectief kan vergroten. Tabel 2 vergelijkt de kenmerken van onlangs gerapporteerde ultra-hoge-spanning 4H-SiC-gelijkrichters. De CFM-JTE 4H-SiC-gelijkrichter geproduceerd in dit werk toont uitstekende prestaties in de aspecten van ultra-hoge-spanning blokkeercapaciteit, ultra-hoge doorstroomgeleidingcapaciteit en hoge terminatie-efficiëntie.

Conclusies

In dit werk is de 4H-SiC CFM-JTE PiN-gelijkrichter succesvol ontworpen en geproduceerd. De experimentele doorlaagspanning van de CFM-JTE PiN is 13,5 kV, corresponderend met 96% van de theoretische blokkeerwaarde. De CFM-JTE vertoont een aanzienlijk verbeterde terminalbeschermingsefficiëntie vergeleken met de ORA-JTE (BV = 12,5 kV, met beschermingsefficiëntie tot 88%) en de conventionele TZ-JTE (BV = 9,6 kV, met beschermingsefficiëntie tot 68%). De CFM-JTE PiN-gelijkrichter verkrijgt een grote doorstroom van 100 A @ V_F = 5,2 V zonder gebruik van carrier-lifetime-versterkingstechnologie en vertoont stabiele voorwaartse I-V-karakteristieken bij verschillende temperaturen. Baliga's figure of merit voor de CFM-JTE PiN-gelijkrichter bereikt 58,8 GW/cm² bij kamertemperatuur. De tolerantie van het implantatiedosisvenster voor CFM-JTE is vergroot op basis van de gelaadsveldmogelijkheid, wat ongeveer 2,8 keer zo groot is als de conventionele TZ-JTE en 1,4 keer zo groot als ORA-JTE, wat een veel betere robuustheid voor procesvariatie toont. Bovendien is het fabricageproces voor CFM-JTE consistent met het conventionele TZ JTE-proces zonder het aantal uitzonderlijk complexe processen of maskers te verhogen, wat aantoont dat de CFM-JTE optimaal is voor ultra-hoge-vermogenstoepassingen met bevredigende terminalefficiëntie en processtolerantie.