Rectifier Daya 4H-SiC Tingkat Tinggi dengan JTE Modulasi Medan Muatan: Efisiensi dan Toleransi Dosis yang Ditingkatkan
Abstrak
Dalam penelitian ini, dirancang rectifier PiN 4H-SiC 13,5 kV dengan area aktif sebesar 0,1 cm². Terminasi ekstensi sambungan dengan modulasi medan muatan (CFM-JTE) diusulkan untuk memenuhi persamaan tegangan balik ultra-tinggi, yang memperluas jendela toleransi dosis JTE hingga sekitar 2,8 kali dari jendela JTE dua zona konvensional. Selain itu, CFM-JTE dapat diimplementasikan melalui proses JTE dua zona konvensional. Arus maju yang diukur mencapai hingga 100 A pada VF = 5,2 V tanpa teknologi peningkatan umur pembawa. Struktur CFM-JTE mencapai 96% dari tegangan hancur teoritis sambungan bidang sejajar dengan area terminal yang relatif kecil sebesar 400 μm, yang berkontribusi terhadap pencapaian angka merit Baliga sebesar 58,8 GW/cm².
Pendahuluan
Karbaida silikon telah menjadi opsi baru untuk meningkatkan aplikasi daya karena karakteristiknya yang memungkinkan operasi tegangan yang lebih tinggi pada lapisan aktif yang lebih tipis, kepadatan daya yang diperluas, switching frekuensi lebih tinggi, dissipasi panas yang lebih baik, ukuran sistem yang lebih kecil, dan biaya sistem yang lebih rendah [1, 2]. Dalam beberapa tahun terakhir, rectifier dan MOSFET SiC komersial telah diberi rating 1,2–1,7 kV. Namun, di bidang aplikasi representatif seperti jaringan listrik cerdas, kendaraan listrik, suplai daya pulsa, dan suplai daya solid-state ultra-tegangan tinggi, terdapat permintaan yang meningkat terhadap kemampuan pemblokir lebih dari 10 kV dan kemampuan arus maju lebih dari 1000 A cm⁻².
Sampai saat ini, tantangan utama yang dihadapi oleh perangkat elektronik daya SiC bertegangan 10 kV dan lebih berfokus pada kinerja teknologi terminasi sambungan, simplifikasi proses pembuatan, kualitas lapisan epitaksial tebal, dan pengurangan defek permukaan. Untuk perangkat SiC ultra-tegangan tinggi, panjang struktur terminal biasanya 6–8 kali ketebalan lapisan epitaksial [3], yang secara signifikan mengurangi tingkat utilizasi wafer dan meningkatkan biaya pembuatan. Rectifier PiN 4H-SiC telah menjadi kandidat paling sesuai untuk aplikasi ultra-tegangan tinggi karena efek modulasi konduktivitas. Untuk struktur lingkaran pembatas medan (FLR), desain optimasi yang presisi dapat diperoleh melalui perhitungan analitis [4], sedangkan fotolitografi saat ini tidak dapat mencapai jarak dan lebar lingkaran yang akurat. Terminal lingkaran pembatas medan baru untuk perangkat SiC 10 kV telah diterapkan untuk mencapai efisiensi perlindungan balik yang tinggi [5, 6], namun area terminalnya melebihi 700 μm, resulting in additional consumption of the SiC wafer. Ekstensi terminasi sambungan (JTE) adalah struktur perlindungan terminal efisiensi tinggi yang sering digunakan, namun efisiensinya sangat sensitif terhadap dosis JTE. Untuk tingkat ultra-tegangan tinggi, MZ-JTE dan CD-JTE [7] digunakan untuk memodulasi medan listrik secara kritis dan memerlukan kondisi serta jumlah implantasi ion yang ketat, yang pada gilirannya meningkatkan kompleksitas dan biaya produksi. Untuk meningkatkan kemampuan konduksi, penelitian mengenai karakteristik ketinggian penghalang antara berbagai logam dan SiC telah dilakukan [8, 9]. Biasanya, film Ti/Al tebal 50–100 nm dibentuk untuk kontak ohmik anoda dan film Ni untuk kontak ohmik katoda. Selain itu, skala area aktif rectifier 4H-SiC akan sangat mempengaruhi karakteristik arus maju. Ditemukan bahwa dalam lapisan epitaksial tipe N 4H-SiC, pusat Z1/2 (EC—0,65 eV), tingkat penerima monovakansi karbon, terutama mempengaruhi umur pembawa [10]. Implantasi ion aluminium akan menyebabkan konsentrasi besar dari level dalam massal yang melibatkan pusat Z1/2 di periferi mesa dan wilayah terminasi sambungan [11], yang mengakibatkan penurunan umur pembawa. Oleh karena itu, rectifier 4H-SiC dengan area aktif yang besar (> 9 mm²) diperlukan dalam desain dan pembuatan karena dampak penurunan umur pembawa di wilayah periferi mesa dan wilayah terminasi relatif dapat diabaikan.
Dalam penelitian ini, rectifier PiN 4H-SiC CFM-JTE dirancang pada lapisan epitaksial 100 μm dengan konsentrasi 5 × 1014 cm−3 dan mencapai kapasitas pemblokir yang signifikan sebesar 13,5 kV dalam keadaan mati serta arus maju 100 A pada VF = 5,2 V dalam keadaan nyala. Resistensi on diferensial rectifier PiN CFM-JTE diukur sebesar 3,1 mΩ cm² pada suhu kamar. CFM-JTE mencapai 96% dari tegangan hancur teoritis melalui konsep dan analisis modulasi medan muatan, yang secara menguntungkan memperluas jendela toleransi dosis implantasi dan mengarah pada panjang terminal yang dapat diterima sebesar 400 μm.
Metode
Analisis Struktur Perangkat
Desain, optimasi, dan analisis dilakukan menggunakan Silvaco-TCAD. Gambar 1 menunjukkan skematik struktur PiN 4H-SiC dengan terminasi, yang meliputi: (a) CFM-JTE (charge-field-modulated), (b) JTE bantu lingkaran luar (ORA-JTE), dan (c) JTE dua zona (TZ-JTE). Dalam keadaan pemblokir, lajunya ionisasi tabrakan elektron–lubang berkaitan erat dengan kekuatan medan listrik. Konsep modulasi medan muatan Eq(r) diusulkan untuk mengungkap mekanisme modulasi CFM-JTE melalui metode superposisi vektor dari medan terminal yang disebabkan oleh medan muatan Eq(r) pada Gambar 1a. CFM-JTE terdiri dari wilayah JTE1, wilayah JTE2, dan tiga kelompok lingkaran. Beberapa lingkaran secara ekivalen membagi terminal menjadi lima zona dotasi: R1-R2, R2-R3, R3-R4, R4-R5, dan R5-R6, di mana muatan efektif Q1, Q2, Q3, Q4, dan Q5 diperkenalkan, masing-masing. Berdasarkan dekomposisi dan superposisi vektor medan listrik pada koordinat x dan y, medan listrik keseluruhan yang terletak di titik Ri yang disebabkan oleh medan potensial yang diterapkan Ep(r) dan medan muatan EQi(r) yang dihasilkan oleh setiap Qi dapat diekspresikan secara analitis dalam arah x dan y, sebagaimana diberikan dalam Persamaan (1) dan (2), masing-masing.
Bagian skematik rectifier PiN 4H-SiC dengan a CFM-JTE, b ORA-JTE, c TZ-JTE konvensional
Dalam keadaan mati, daerah depleksi yang kurang dotasi menyusut secara dini dan berhenti di wilayah terminasi karena efek kelengkungan pada sambungan utama PiN. Oleh karena itu, medan potensial yang diterapkan Ep(r) sangat terkonsentrasi di sekitar periferi sambungan utama. Keberadaan Qi mempromosikan depleksi sepanjang CFM-JTE hingga lapisan epitaksial terluar. Kekuatan medan muatan EQi berkaitan dengan jumlah Qi. Penurunan Qi sepanjang tepi luar terminal secara efektif mencapai modulasi medan di wilayah terminal. Akibatnya, melalui mekanisme dan efek modulasi medan muatan, CFM-JTE secara efektif mengatasi kekurangan koefisien difusi SiC yang rendah untuk membentuk efek dotasi lateral bervariasi (VLD), yang merupakan teknologi perlindungan terminal sambungan yang sangat efektif, kuat, dan matang untuk perangkat Si [12, 13]. Lebar lingkaran (wr) dari setiap kelompok dikurangi menjadi 15 μm, 12 μm, dan 9 μm, masing-masing. Jarak setiap lingkaran sama dengan nilai 5 μm. Panjang dan dosis wilayah JTE1 dan JTE2 keduanya pada rasio tetap 3:2. Parameter detail rectifier yang diusulkan diberikan dalam Tabel 1.
Simulasi dan Optimasi
Untuk mengurangi deviasi yang disebabkan oleh sensitivitas struktur perangkat dan konsentrasi dotasi, konfigurasi pemrosesan Athena digunakan. Konsentrasi dotasi CFM-JTE dibentuk melalui simulasi proses implantasi aluminium dalam beberapa langkah. Kedalaman total dotasi mencapai hampir 1 μm.
Gambar 2 menunjukkan kapasitas pemblokiran dan toleransi terhadap dosis implantasi CFM-JTE, ORA-JTE, dan TZ-JTE konvensional. Keempat struktur terminasi memiliki nilai panjang tetap L = 400 μm untuk membandingkan efisiensi mereka. Panjang dan dosis JTE1 dan JTE2 keduanya tetap pada rasio 3:2. Simulasi dilakukan pada struktur 2-D, dan kriteria penentuan hancur adalah ketika arus kebocoran balik mencapai 1 × 10–9 A. Garis padat hitam merepresentasikan BV teoritis yang dihitung sebesar 14,1 kV sesuai [10, 14], dan garis putus-putus abu-abu menunjukkan 12 kV. Margen desain 20% diterapkan untuk target 10 kV dengan mempertimbangkan toleransi proses dan deviasi simulasi. Dalam TZ-JTE konvensional, tegangan hancur sangat sensitif terhadap dosis implantasi dan mencapai lebih dari 12 kV hanya ketika dosis bervariasi antara 0,98 dan 1,14 × 1013 cm−2. Sensitivitas ORA-JTE terhadap konsentrasi injeksi JTE terlengah, dan jendela toleransi yang lebih luas sebesar 0,97–1,28 × 1013 cm−2 diperoleh untuk mempertahankan tegangan target di atas 12 kV. CFM-JTE memiliki jendela toleransi dosis implantasi yang paling luas dalam rentang 0,86–1,30 × 1013 cm−2, yang sekitar 2,8 kali dari TZ-JTE konvensional dan 1,4 kali dari ORA-JTE. Oleh karena itu, CFM-JTE menunjukkan keandalan yang lebih baik terhadap variasi proses.
Perbandingan kapasitas hancur terhadap jendela dosis JTE untuk rectifier PiN 4H-SiC dengan CFM-JTE, ORA-JTE, dan TZ-JTE konvensional
Gambar 3 menunjukkan perbandingan distribusi dan intensitas medan permukaan CFM-JTE, ORA-JTE, dan TZ-JTE dalam keadaan pemblokir. Puncak medan terutama terkonsentrasi di sambungan utama dan periferi terminal. CFM-JTE secara efektif meratakan distribusi medan dan mempromosikan kekuatan medan sepanjang terminal, yang pada akhirnya meningkatkan kapasitas pemblokiran secara efisien.
Distribusi dan intensitas medan permukaan balik pada CFM-JTE, ORA-JTE, dan TZ-JTE konvensional
Untuk memahami mekanisme CFM-JTE dalam memodulasi medan muatan, distribusi medan hancur sepanjang garis potong AA’ pada Gambar 1a dengan berbagai dosis implantasi JTE1 divisualisasikan dalam Gambar 4. Keberadaan Qi, terutama zona Q1 yang berdotasi tinggi di samping sambungan utama, secara besar-besaran mengurangi konsentrasi garis medan di sudut pengikisan mesa. Zona Q5 diatur untuk mengurangi kepadatan medan di titik R5 pada Gambar 1a. Hasilnya menunjukkan bahwa keseragaman distribusi medan dapat ditingkatkan secara efektif melalui modulasi medan muatan EQi(r) di terminal. Dengan demikian, kemampuan tegangan pemblokiran dan keandalan perangkat dapat ditingkatkan.
Distribusi medan permukaan pada hancur yang sesuai dengan berbagai dosis implantasi JTE1
Ukuran area terminal mempengaruhi efisiensi utilitas chip secara langsung. Dalam keadaan pemblokir, medan potensial yang diterapkan terkumpul di sekitar periferi sambungan utama. Wilayah JTE1 di dekat sambungan utama perlu memperkenalkan lebih banyak muatan untuk meningkatkan efek modulasi medan muatan (Eq). Oleh karena itu, L1 perlu diatur lebih panjang dari L2. Ketika rasio L1 terhadap L2 tetap pada 3:2, kapasitas pemblokiran dengan berbagai panjang L pada terminal dianalisis secara komparatif dalam Gambar 5.
Kapasitas pemblokiran dengan berbagai panjang terminal
Distribusi medan yang sesuai ditampilkan dalam Gambar 6. Area besar CFM-JTE mendukung peningkatan muatan yang diperlukan Qi dan pemanfaatan penuh efek modulasi EQi(r), sehingga diperoleh jendela toleransi dosis implantasi (TW) yang lebih luas. Ketika panjang CFM-JTE L diatur sebagai 300 μm, 350 μm, 400 μm, dan 450 μm, rentang TW meningkat secara berurunan, yang sesuai dengan 3 × 1012 cm−2, 3,2 × 1012 cm−2, 4,4 × 1012 cm−2, dan 4,7 × 1012 cm−2 dalam rentang dengan syarat BV di atas 12 kV. Memilih panjang terminal L sebesar 400 μm dalam karya ini merupakan pilihan yang lebih tepat berdasarkan keseimbangan antara ukuran terminal, jendela toleransi dosis JTE, modulasi medan terminal, dan kemampuan tegangan hancur.
Distribusi medan permukaan pada hancur yang sesuai dengan berbagai panjang terminal
Keberadaan status permukaan harus dipertimbangkan dalam pembuatan sebenarnya rectifier PiN 4H-SiC. Status permukaan ini berasal dari lubang yang terperangkap dalam status antarmuka dalam, muatan oksida tetap dari antarmuka P-SiC (termasuk lapisan P++ dan wilayah P-JTE)/SiO2, serta proses implementasi [15,16,17,18]. Untuk terminasi CFM-JTE, modulasi medan di antarmuka S1 dan S2 oleh muatan positif antarmuka (Qit), muatan efektif (Qj), dan potensial yang diterapkan dalam arah vertikal dianalisis dalam Gambar 7.
Modulasi medan di S1 dan S2 oleh muatan positif antarmuka (Qit), muatan efektif (Qj), dan potensial yang diterapkan
Muatan positif antarmuka (Qit) menghasilkan medan muatan berlawanan (EQity) dibandingkan dengan medan potensial yang diterapkan (Epy), yang membantu mengurangi kekuatan medan dalam arah antarmuka vertikal. Gambar 8 menunjukkan distribusi medan di antarmuka SiO2/SiC S1 dalam kondisi berbagai Qit.
Distribusi medan di antarmuka SiO2/SiC dengan berbagai Qit
Dalam hal analisis modulasi medan muatan di antarmuka S2, EQity berlawanan dengan arah vektor Epy dan EQjy. Keberadaan Qit membantu mengurangi medan di S2. Dengan mempertimbangkan keberadaan muatan antarmuka (Qit), diperlukan muatan efektif ionisasi Qj yang lebih besar untuk menakdirkan intensitas medan yang dihasilkan oleh Qit. Akibatnya, ketika jumlah Qit meningkat, konsentrasi dosis implantasi JTE yang optimal harus ditingkatkan secara bersamaan untuk mempertahankan kapasitas pemblokiran yang sama. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 9, kurva BV–Dose secara keseluruhan bergeser ke arah kenaikan seiring dengan peningkatan Qit.
Perbandingan pengaruh muatan antarmuka terhadap kapasitas pemblokiran pada rectifier PiN 4H-SiC
Hasil dan Pembahasan
Rectifier PiN 4H-SiC CFM-JTE yang diusulkan telah diproduksi pada wafer tipe N 4 inci dengan off-axis 4° (0001). Wafer ditumbuhi melalui epitaksi dengan empat lapis (N+, N−, P+, P++) yang sesuai dengan konsentrasi 1 × 1018 cm−3, 5 × 1014 cm−3, 1 × 1018 cm−3, dan 5 × 1019 cm−3. Alur proses utama pembuatan CFM-JTE ditampilkan dalam Gambar 10. Lapisan P++ ditumbuhi melalui epitaksi untuk mendapatkan dotasi yang seragam dan tinggi guna meningkatkan kualitas kontak ohmik antara SiC dan logam anoda. Struktur pengikisan mesa dibentuk di fasilitas ICP-RIE melalui masker pengikisan mesa. Gas pengikisan terutama terdiri dari SF6 dan oksigen. Beberapa implantasi ion Al dilakukan pada energi maksimum 500 keV untuk membentuk struktur CFM-JTE. Implantasi ion Al dua langkah diterapkan untuk membentuk lima zona dotasi yang menurun. Zona JTE1 dan R2-R3 dibentuk melalui masker implantasi pertama. Wilayah JTE2, R1-R2, R3-R4, R4-R5, dan R5-R6 dikonfigurasi secara bersamaan oleh implantasi ion Al melalui masker implantasi kedua. Seperti yang diketahui semua, laju aktivasi ion dalam karbaida silikon tidak tinggi setelah diimplantasi dengan ion energi tinggi, diiringi oleh kerusakan jaringan yang parah. Untuk meningkatkan situasi yang tidak diinginkan di atas, implantasi ion aluminium dilakukan pada suhu 500 °C melalui masker oksida. Penganalan pasca-implantasi telah dilakukan dalam suasana argon pada suhu 1800 °C selama 10 menit dengan tutupan karbon untuk memperbaiki lebih lanjut kerusakan yang disebabkan oleh implantasi ion energi tinggi dan meningkatkan akurasi konsentrasi dotasi dengan meningkatkan laju aktivasi ion efektif. Kontak ohmik tipe P SiC dibentuk menggunakan Al/Ti. Proses RTA dilakukan secara konsisten dan diperiksa selama dua menit dalam suasana gas nitrogen iners pada suhu 1000 °C. Lapisan pelindung berkualitas tinggi (lapisan SiO2, film Si3N4, dan lapisan poliamida tebal) diendapkan untuk mencegah kebocoran permukaan dan menghindari percikan di udara [5]. Rectifier PiN CFM-JTE mencakup area aktif hingga 0,1 cm². Proses pembuatan konsisten dengan rectifier PiN 4H-SiC JTE dua zona konvensional, tanpa masker atau langkah proses tambahan, yang sangat mendukung pengurangan kompleksitas dan biaya produksi.
Alur proses CFM-JTE
Karakteristik maju rectifier PiN CFM-JTE yang diproduksi diuji pada wafer menggunakan instrumen Curve Tracer CS-3200. Rectifier PiN CFM-JTE yang diproduksi menunjukkan kapasitas konduksi arus maju yang besar tanpa teknologi peningkatan umur pembawa. Arus maju diukur hingga 100 A yang sesuai dengan tegangan maju 5,2 V, seperti ditunjukkan dalam Gambar 11. Resistensi on diferensial rectifier yang diusulkan diukur sebesar 3,1 mΩ cm² pada suhu kamar, yang sesuai dengan tegangan maju 3,6 V. Karakteristik konduksi maju pada berbagai suhu juga diilustrasikan di inset Gambar 11. Kurva I–V menunjukkan sifat koefisien suhu negatif. Ini karena seiring dengan kenaikan suhu, mobilitas materi menurun, sedangkan jarak energi SiC yang lebih sempit mengurangi potensi bawaan sambungan P–N, dan umur pembawa wilayah drift diperpanjang dengan kenaikan suhu, yang pada gilirannya mengakibatkan peningkatan kepadatan arus. Tegangan nyala yang diukur didefinisikan pada kepadatan arus maju 10 A·cm−2. Tegangan nyala maju secara bertahap menurun dari 3,14 ke 3,04 V ketika suhu lingkungan naik dari 25 ke 150 °C. Pergeseran maksimum tegangan nyala maju telah tertahan dalam rentang 3%, yang sesuai dengan nilai 0,1 V, yang menunjukkan stabilitas suhu yang jauh lebih baik daripada PiN Si.
Kurva I–V maju rectifier PiN CFM-JTE dan karakteristik pada berbagai lingkungan suhu di inset
Rectifier PiN 4H-SiC dengan CFM-JTE, ORA-JTE, dan TZ-JTE konvensional diproduksi pada wafer 4 inci, dan efek perlindungan terminal mereka ditunjukkan dalam Gambar 12. Pengukuran tegangan hancur balik dilakukan dan direndam dalam minyak Fluorinert untuk menghindari percikan di udara. Dalam pengukuran eksperimental dengan dosis JTE1 sebesar 1,2 × 1013 cm−2, rectifier PiN dengan ORA-JTE dan TZ-JTE konvensional mencapai kapasitas pemblokiran sebesar 12,5 kV dan 9,6 kV, masing-masing, dengan panjang terminal yang sama sebesar 400 μm.
Karakteristik hancur rectifier PiN 4H-SiC yang diproduksi. aBV yang diukur dari CFM-JTE, ORA-JTE, dan TZ-JTE. b BV yang diukur dari CFM-JTE dengan berbagai dosis implantasi. Tanda padat adalah nilai eksperimental
Sampel multi-batch rectifier PiN CFM-JTE dapat secara berulang mencapai tegangan hancur 13,5 kV pada arus kebocoran 10 μA. Tegangan pemblokiran eksperimental mencapai hingga 96% dari nilai hancur teoritis, yang menunjukkan bahwa CFM-JTE memiliki efisiensi perlindungan terminal yang lebih tinggi. Ketahanan tegangan lebih dari 130 V/μm telah dicapai pada lapisan drift 100 μm rectifier PiN 4H-SiC. Angka merit Baliga (BFOM = BV2/Ron,sp) mencapai 58,8 GW/cm² pada suhu kamar. Rectifier PiN CFM-JTE dengan berbagai dosis implantasi JTE1 telah diproduksi. Nilai hancur eksperimental dan simulasi ditampilkan dalam Gambar 12b. Nilai eksperimental sesuai dengan tren simulasi dan mengonfirmasi bahwa struktur CFM-JTE dapat memperluas jendela toleransi dosis JTE secara efektif. Tabel 2 membandingkan karakteristik rectifier 4H-SiC ultra-tegangan tinggi yang dilaporkan terakhir. Rectifier 4H-SiC CFM-JTE yang diproduksi dalam karya ini menunjukkan performa yang luar biasa dalam aspek kapasitas pemblokiran ultra-tegangan tinggi, kapasitas konduksi arus maju ultra-tinggi, dan efisiensi terminasi yang tinggi.
Kesimpulan
Dalam karya ini, rectifier PiN 4H-SiC CFM-JTE telah dirancang dan diproduksi dengan sukses. Tegangan hancur eksperimental rectifier PiN CFM-JTE adalah 13,5 kV yang sesuai dengan 96% dari nilai pemblokiran teoritis. CFM-JTE menunjukkan efisiensi perlindungan terminal yang jauh ditingkatkan dibandingkan dengan ORA-JTE (BV = 12,5 kV, dengan efisiensi perlindungan hingga 88%) dan TZ-JTE konvensional (BV = 9,6 kV, dengan efisiensi perlindungan hingga 68%). Rectifier PiN CFM-JTE mendapatkan arus maju besar sebesar 100 A pada VF = 5,2 V tanpa menggunakan teknologi peningkatan umur pembawa dan menunjukkan karakteristik I–V maju yang stabil pada berbagai suhu. Angka merit Baliga untuk rectifier PiN CFM-JTE mencapai 58,8 GW/cm² pada suhu kamar. Toleransi jendela dosis implantasi untuk CFM-JTE diperluas berdasarkan modulasi medan muatan, yang sekitar 2,8 kali dari TZ-JTE konvensional dan 1,4 kali dari ORA-JTE, menunjukkan ketahanan yang jauh lebih baik terhadap variasi proses. Selain itu, proses pembuatan CFM-JTE konsisten dengan proses TZ-JTE konvensional tanpa meningkatkan jumlah proses atau masker yang sangat kompleks, yang menunjukkan bahwa CFM-JTE optimal untuk aplikasi daya ultra-tinggi dengan efisiensi terminal yang memuaskan dan toleransi proses.
