Pengaruh Iradiasi Ultraviolet Terhadap Karakteristik Dioda PiN 4H-SiC
Abstrak
Dalam makalah ini, dikaji pengaruh penyinaran ultraviolet (UV) terhadap karakteristik statik tegangan tinggi 4H-SiC PiN. Tidak ada perubahan signifikan yang diamati pada karakteristik keadaan maju dioda 4H-SiC PiN sebelum dan sesudah penyinaran sinar ultraviolet. Namun, ditemukan bahwa tegangan pemblokiran meningkat secara signifikan dengan penyinaran UV, yang dihasilkan dari perluasan lebar daerah penipisan dengan pengumpulan muatan positif di bawah peningkatan kerapatan muatan negatif permukaan. Spektroskopi transien tingkat dalam mengungkapkan bahwa iradiasi UV yang diinduksi cacat tingkat dalam memainkan peran dominan atas muatan negatif yang terperangkap, dan oleh karena itu mengarah pada peningkatan tegangan pemblokiran Dioda PiN 4H-SiC.
Pengantar
Silicon Carbide (SiC) diharapkan menjadi bahan kandidat yang menjanjikan untuk perangkat elektronik generasi berikutnya yang berdaya tinggi dan bersuhu tinggi, karena celah pita yang lebar, kuat medan listrik kritis yang tinggi, kecepatan saturasi elektron yang tinggi, dan konduktivitas termal yang unggul [1 ,2,3,4]. Perangkat SiC sedang dikembangkan untuk menggantikan banyak perangkat yang saat ini digunakan dalam silikon, terutama dalam persyaratan yang harus beroperasi pada tegangan dan level arus tinggi, dan pada suhu di atas 200 °C. Dibandingkan dengan perangkat unipolar, perangkat bipolar SiC menarik minat yang cukup besar karena aplikasi tegangan ultra-tinggi karena efek modulasi konduktivitas dalam beberapa tahun terakhir. Sebagai perangkat bipolar tipikal, dioda 4H-SiC PiN tegangan tinggi telah didemonstrasikan, yang merupakan pilihan potensial untuk aplikasi penyearah tegangan tinggi, termasuk jaringan pintar canggih, penyimpanan energi, dan daya berdenyut [5,6,7,8]. Dalam proses fabrikasi perangkat daya SiC, beberapa proses plasma seperti etsa kering dan deposisi sputter banyak digunakan. Beberapa pekerjaan telah dilaporkan pada kerusakan yang diinduksi proses pada perangkat SiC untuk menyebabkan degradasi listrik [9, 10]. Selain itu, penelitian sebelumnya mengungkapkan bahwa penyinaran UV secara signifikan mengurangi kinerja transistor efek medan semikonduktor oksida logam SiC (MOSFET) dengan bombardir ion energi tinggi dan emisi foto plasma [11, 12]. Baru-baru ini, dilaporkan bahwa iradiasi laser UV berdenyut pada 4H‑SiC logam-oksida-semikonduktor (MOS) dapat menginduksi perangkap oksida antarmuka dekat dan menyebabkan penyimpangan kinerja perangkat dan penurunan keandalan [13]. Namun, sejauh yang kami ketahui, penyinaran UV pada perangkat SiC PiN belum diselidiki sejauh ini dan perlu untuk memahami efeknya pada karakteristik perangkat SiC PiN.
Dalam penelitian ini, kami menyelidiki pengaruh penyinaran UV pada dioda 4H-SiC PiN karakteristik pemblokiran maju dan mundur menggunakan penyinaran UV dengan panjang gelombang 184,9 nm. Pengaruh akumulasi muatan permukaan terhadap tegangan tembus dioda SiC PiN disajikan menggunakan simulasi Technology Computer-Aided Design (TCAD). SiO2 Kepadatan keadaan /SiC sebelum dan sesudah iradiasi dicirikan oleh sistem spektroskopi transien tingkat dalam (DLTS) pada SiC MOS. DLTS banyak digunakan untuk mempelajari distribusi kepadatan antarmuka (Dit) dan cacat dalam pada kapasitor MOS [14, 15].
Metode
Struktur skema dioda 4H-SiC PiN yang dilaporkan dalam makalah ini ditunjukkan pada Gambar. 1. Lapisan buffer setebal 2 m yang didoping ke 1 × 10
18
cm
−3
dan lapisan n- drift setebal 60 μm dengan konsentrasi doping 2 × 10
14
cm
−3
ditumbuhkan secara terus-menerus pada substrat 4H-SiC(0001) tipe-n yang sangat didoping 4° di luar sumbu. Kemudian, lapisan atas adalah p + anoda dengan tebal 2 μm dan konsentrasi doping 2 × 10
19
cm
−3
. Setelah pertumbuhan epitaksi, struktur mesa isolasi melingkar dengan tinggi 2,5 m dan diameter 300 m dipolakan menggunakan plasma berpasangan induktif yang bereaksi melalui lapisan p + anoda ke dalam lapisan n- drift. Gas etsa dan bahan masker adalah SF6 /O2 dan diendapkan oleh deposisi uap kimia yang ditingkatkan plasma, masing-masing. Setelah isolasi mesa, implan Al ganda 1 × 10
17
cm
−3
berbasis junction terminasi extension (JTE) dibentuk untuk mengurangi crowding medan listrik di dekat tepi mesa. Implan diaktifkan dengan anil di Ar pada 1650 °C selama 30 menit. Sebuah pengorbanan SiO2 lapisan ditumbuhkan pada 1100 °C selama 1 jam dan dicelupkan dengan HF untuk memberikan permukaan baru untuk oksidasi termal. Kemudian, oksidasi termal dalam O2 dry kering ambient dilakukan pada 1100 °C selama 3 jam dengan SiO2 ketebalan lapisan sekitar 40 nm, diikuti dengan annealing di lingkungan Ar pada 1100 °C selama 1 jam. Bahan kontak adalah Ni/Ti/Al untuk anoda dan Ni untuk katoda. Logam-logam ini dianil pada 800 °C dan 1000 °C masing-masing selama 2 menit untuk mendapatkan kontak ohmik berkualitas tinggi. Resistansi kontak spesifik yang dicirikan dengan metode panjang transfer linier adalah 1 × 10
−5
cm
2
dan 3,75 × 10
−5
cm
2
untuk kontak ohmik tipe Ni n dan Ni/Ti/Al p. Overlayer logam dengan Al tebal diendapkan ke anoda dan katoda. Lapisan silikon dioksida dan lapisan polimida tebal dipola di bagian depan untuk menghindari percikan permukaan selama pengukuran tegangan tinggi. Selain itu, kapasitor SiC-MOS dibuat pada tipe-n berkualitas tinggi (7 × 10
15
cm
−3
) lapisan epitaksi pada substrat 4H-SiC yang didoping berat. Oksida termal 40 nm ditumbuhkan berdasarkan proses standar SiC PiN. Elektroda gerbang dan kontak ohmik bagian belakang masing-masing dibentuk dengan Al dan Ni.
Penampang melintang skema dioda 4H-SiC PiN
Dioda 4H-SiC PiN dan kapasitor SiC-MOS disinari dengan sinar UV menggunakan lampu merkuri dengan panjang gelombang 184,9 nm di udara selama 72 jam tanpa tegangan bias. Karakteristik listrik 4H-SiC PiN sebelum dan sesudah penyinaran UV dievaluasi oleh probe Wentworth dan sistem karakterisasi semikonduktor Agilent B1505A. Status antarmuka kapasitor SiC-MOS dan muatan tetap kemudian dicirikan oleh sistem DLTS Transform Fourier PhysTech. Bias terbalik yang diterapkan VR dan tegangan pengisian pulsa VP masing-masing adalah 15 V dan 2 V. Periode pengambilan sampel tw pulsa bias dari VR untuk VP adalah 1,5 s.
Hasil dan Diskusi
Pengaruh iradiasi UV pada karakteristik statis SiC PiN ditunjukkan pada Gambar. 2 dan 3 di mana karakteristik yang diukur sebelum dan sesudah iradiasi dibandingkan untuk perangkat 1 (D1) dan perangkat 2 (D2). Diameter dioda SiC PiN melingkar adalah 3,5 mm dan area aktif sekitar 10 mm
2
. Penurunan tegangan maju untuk SiC PiN adalah sekitar 3,95 V pada rapat arus 100 A/cm
2
untuk kedua perangkat sebelum penyinaran UV. Terlihat jelas pada Gambar 2 bahwa tidak ada perubahan signifikan dalam karakteristik keadaan maju pada dua perangkat, berubah dari 3,95 menjadi 4,0 V setelah penyinaran UV. Tegangan pemblokiran yang dicapai dari perangkat 1 dan perangkat 2 yang dibuat pada lapisan epilayer n-drift setebal 60 μm adalah masing-masing 7 kV dan 7,2 kV pada arus bocor kurang dari 1μA. Perlu dicatat bahwa efisiensi pemblokiran dioda PiN adalah sekitar 70% dari nilai teoritis 9,7 kV untuk lapisan drift setebal 60 μm, yang ketidakakuratan aktivasi pengotor mungkin menyebabkan penyimpangan dari jendela implan JTE yang optimal. Setelah penyinaran UV, tegangan pemblokiran perangkat 1 menunjukkan peningkatan yang luar biasa dari 7 menjadi 9,2 kV dengan peningkatan 2,2 kV, mendekati nilai bidang paralel yang ideal. Sejalan dengan itu, peningkatan 1,7 kV dicapai untuk perangkat 2 setelah penyinaran UV.
Meneruskan karakteristik keadaan dioda 4H-SiC PiN sebelum dan sesudah penyinaran UV
Karakteristik kebalikan dari dioda 4H-SiC PiN sebelum dan sesudah penyinaran UV
Telah diketahui dengan baik bahwa perangkap permukaan memiliki pengaruh yang signifikan terhadap distribusi medan listrik di wilayah terminal dan kemudian mempengaruhi karakteristik pemblokiran terbalik pada perangkat daya SiC. Ikeguchi dkk. telah menunjukkan bahwa iluminasi UV energi tinggi dengan energi foton ≥ 5 eV dapat mengubah ikatan rangkap C–C tegang yang sudah ada sebelumnya menjadi perangkap elektron aktif, dan dengan demikian mengarah pada produksi cacat antarmuka bermuatan negatif yang diamati oleh VFB pergeseran kurva C/V [11, 12]. Sementara itu, elektron yang dihasilkan oleh iradiasi UV dapat ditangkap oleh cacat antarmuka perangkap-dalam dan dengan demikian menjadi bermuatan negatif dengan peningkatan kerapatan muatan tetap. Gambar 4 mengilustrasikan ketergantungan karakteristik pemblokiran yang disimulasikan pada konsentrasi implan untuk dioda JTE SiC PiN implan ganda dengan berbagai muatan negatif permukaan. Jelas terlihat bahwa muatan permukaan di wilayah JTE memiliki pengaruh yang signifikan terhadap kinerja pemblokiran balik, terutama ketika konsentrasi implan JTE menyimpang dari jendela optimal. Untuk struktur terminasi implan ganda yang diberikan, karena peningkatan muatan negatif permukaan, jendela optimal yang lebih luas dari nilai pemblokiran target dapat dicapai. Jelas bahwa struktur JTE kurang sensitif terhadap muatan antarmuka di bawah 1 × 10
11
cm
−2
dan tegangan pemblokiran tidak memiliki perubahan yang jelas. Dengan kerapatan muatan permukaan lebih tinggi dari 5 × 10
11
cm
−2
, tegangan tembus akan meningkat secara dramatis. Anehnya, tegangan tembusnya mendekati nilai teoritis dengan jendela implan dari 2 × 10
16
cm
−3
hingga 8 × 10
17
cm
−3
pada kerapatan muatan permukaan 1 × 10
13
cm
−2
.
Simulasi tegangan tembus versus konsentrasi implan JTE untuk muatan negatif permukaan, termasuk tanpa muatan, 1 × 10
11
cm
−2
, 5 × 10
11
cm
−2
, 1 × 10
12
cm
−2
, 5 × 10
12
cm
−2
, dan 1 × 10
13
cm
−2
masing-masing
Gambar 5 membandingkan pengaruh akumulasi muatan permukaan negatif pada profil medan listrik pada karakteristik pemblokiran. Distribusi medan listrik dengan evolusi daerah penipisan pada dioda 4H-SiC PiN ditunjukkan pada Gambar 5a. Ketika muatan negatif meningkat menjadi 5 × 10
12
cm
−2
di SiO2 /SiC (wilayah struktur JTE) dari SiC PiN, muatan positif dari lapisan drift N dikumpulkan ke permukaan antarmuka, yang mengarah ke perpanjangan wilayah penipisan yang signifikan [16]. Gambar. 5b menunjukkan garis potong medan listrik di bawah persimpangan wilayah JTE/n-drift dengan kerapatan muatan negatif permukaan 1 × 10
11
dan 5 × 10
12
cm
−2
. Dalam kasus muatan permukaan rendah sebesar 1 × 10
11
cm
−2
, crowding medan listrik yang parah muncul di daerah terminasi tepi dengan nilai maksimum 2,5 MV/cm dan tegangan tembus sekitar 8 kV. Saat kerapatan muatan meningkat menjadi 5 × 10
12
cm
−2
, medan listrik puncak turun menjadi 2,2 MV/cm dan medan listrik yang berkerumun di daerah terminasi tepi ditekan sebagai perbandingan. Sementara itu, distribusi medan listrik lebih seragam, dan tegangan tembus meningkat secara nyata. Oleh karena itu, muatan negatif permukaan dapat menyebabkan perpanjangan penipisan dan mengurangi kepadatan medan listrik, yang menghasilkan peningkatan tegangan tembus.
Simulasi distribusi medan listrik SiC PiN dengan kerapatan muatan negatif permukaan 1 × 10
11
cm
−2
dan 5 × 10
12
cm
−2
:a distribusi medan listrik dengan evolusi daerah penipisan b garis potong medan listrik di bawah persimpangan wilayah JTE/n-drift. Konsentrasi implan yang digunakan 6 × 10
16
cm
−3
Untuk lebih memvalidasi mekanisme fisik generasi cacat elektronik yang diinduksi iradiasi, karakterisasi listrik yang lebih baik dari SiO2 /SiC antarmuka diperlukan untuk menyelidiki lebih detail. Spektrum DLTS untuk kapasitor 4H-SiC SiC-MOS dicirikan dalam penipisan dari 15 hingga 2 V sebelum dan sesudah penyinaran UV, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6. Dari spektrum DLTS, dua puncak diamati pada kapasitor 4H-SiC MOS keduanya sebelum dan setelah penyinaran UV, masing-masing terletak pada 210 K dan 490 K. Puncak DLTS negatif menunjukkan bahwa level P1 dan P2 adalah perangkap elektron. Tingkat P2 yang luas dan signifikan menunjukkan peningkatan amplitudo puncak yang signifikan, artinya konsentrasi perangkap elektron meningkat dengan penyinaran UV. Selain itu, ditemukan bahwa sinyal DLTS meningkat secara proporsional terhadap waktu pengisian, menunjukkan karakteristik kinetika pengisian perangkap dari cacat yang diperluas, seperti cacat antarmuka daripada cacat titik. Sisipan menunjukkan distribusi kepadatan keadaan antarmuka versus energi aktivasi ET . Kepadatan status antarmuka dihitung dengan \(D_{{{\text{it}}}} =\varepsilon_{{{\text{sic}}}} C_{{{\text{ACC}}}} AN_{{ \text{D}}} \Delta C/\left[ {C_{R}^{3} kT} \kanan]\) [17]. Dapat dilihat dari gambar bahwa cacat antarmuka menimbulkan pita energi di celah pita dari EC 0,65 eV hingga EC 1,25 eV dan kepadatannya meningkat secara signifikan dari 2 × 10
12
cm
−2
eV
−1
hingga 6 × 10
12
cm
−2
eV
−1
setelah penyinaran UV. Menggabungkan pengukuran kapasitansi transien, mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi dan perhitungan teori fungsi-densitas, Dong et al. menyarankan bahwa cacat antarmuka ini berasal dari kelebihan karbon split-interstitial bermuatan negatif pada antarmuka [18]. Puncak P1 pada 210 k sesuai dengan perangkap elektron di EC 0,41 eV. Konsentrasinya tidak menunjukkan perubahan penting setelah penyinaran UV, dan secara tentatif menetapkan perangkap P1 untuk menunjukkan cacat pada epilayer SiC. Namun, konfigurasi atomnya masih belum jelas dan perlu diklarifikasi dalam penyelidikan di masa mendatang.
Spektrum DLTS untuk dioda 4H-SiC PiN sebelum dan sesudah penyinaran UV. Sisipan menunjukkan D distribusinya untuk dioda 4H-SiC PiN sebelum dan sesudah penyinaran UV
Kesimpulan
Pengaruh iradiasi UV pada karakteristik listrik dioda 4H-SiC PiN telah diselidiki. Dari hasil percobaan kelistrikan, perubahan arus maju yang tidak signifikan diamati setelah penyinaran UV. Namun, iradiasi UV muncul peningkatan yang luar biasa dari tegangan pemblokiran. Ditemukan iradiasi UV menghasilkan cacat level dalam pada antarmuka dioda PiN, menghasilkan peningkatan level akseptor dalam di celah pita. Cacat tingkat dalam ini berfungsi sebagai pusat penangkapan elektron dan menyebabkan peningkatan muatan negatif yang signifikan di SiO2 /SiC antarmuka. Muatan positif lapisan dirft N dikumpulkan ke permukaan antarmuka, dan selanjutnya mempromosikan perluasan daerah penipisan dengan distribusi medan listrik yang lebih seragam, yang menghasilkan peningkatan tegangan pemblokiran.
