Karakterisasi dan Fabrikasi CFM-JTE untuk Perangkat Daya 4H-SiC dengan Perlindungan Efisiensi Tinggi dan Jendela Toleransi Dosis JTE yang Ditingkatkan
Abstrak
Penyearah PiN 13.5 kV 4H-SiC PiN dengan area aktif yang cukup besar sebesar 0,1 cm
2
dibuat dalam makalah ini. Perpanjangan pemutusan sambungan termodulasi medan muatan (CFM-JTE) telah diusulkan untuk memenuhi persyaratan tegangan balik ultra-tinggi, yang memperbesar jendela toleransi dosis JTE, menjadikannya sekitar 2,8 kali lipat dari JTE dua zona konvensional. Selain itu, CFM-JTE dapat diimplementasikan melalui proses JTE dua zona konvensional. Arus maju terukur hingga 100 A @ VB = 5.2 V tanpa adanya teknologi peningkatan masa pakai operator. Struktur CFM-JTE mencapai 96% dari tegangan tembus teoritis dari sambungan bidang paralel dengan luas terminal yang relatif kecil 400 μm, yang berkontribusi untuk mencapai angka keunggulan Baliga sebesar 58,8 GW/cm
2
.
Pengantar
Silikon karbida telah menjadi pilihan baru untuk meningkatkan aplikasi daya karena karakteristik tegangan yang lebih tinggi yang beroperasi pada lapisan aktif yang lebih tipis, kepadatan daya yang diperpanjang, peralihan frekuensi yang lebih tinggi, pembuangan panas yang lebih baik, ukuran sistem yang lebih kecil, dan biaya sistem yang lebih rendah [1, 2]. Dalam beberapa tahun terakhir, penyearah SiC komersial dan MOSFET telah diberi peringkat 1,2–1,7 kV. Namun, di bidang aplikasi representatif seperti jaringan pintar, kendaraan listrik, catu daya pulsa, dan catu daya solid-state tegangan ultra tinggi, ada peningkatan permintaan untuk kemampuan pemblokiran lebih dari 10 kV dan kemampuan arus maju lebih dari 1000 A cm
−2
.
Hingga saat ini, tantangan utama yang dihadapi oleh perangkat elektronik daya SiC 10 kV dan level yang lebih tinggi berfokus pada kinerja teknologi pemutusan sambungan, penyederhanaan proses fabrikasi, lapisan epitaksi tebal berkualitas tinggi, dan pengurangan cacat permukaan. Untuk perangkat SiC tegangan ultra-tinggi, panjang struktur terminal sebagian besar 6-8 kali ketebalan epitaxial [3], yang sangat mengurangi tingkat pemanfaatan wafer dan dengan demikian meningkatkan biaya untuk fabrikasi. Penyearah 4H-SiC PiN telah menjadi kandidat yang paling cocok untuk aplikasi tegangan ultra-tinggi sebagai hasil dari efek modulasi konduktivitas. Untuk struktur cincin pembatas medan (FLR), desain optimasi yang tepat dapat diperoleh melalui perhitungan analitik [4], sedangkan fotolitografi saat ini tidak dapat mencapai ruang dan lebar cincin yang akurat. Terminal cincin pembatas medan baru untuk perangkat SiC 10 kV telah diterapkan untuk memiliki efisiensi perlindungan terbalik yang tinggi [5, 6], tetapi area terminalnya melebihi 700 μm, yang mengakibatkan konsumsi tambahan wafer SiC. Perpanjangan pemutusan sambungan (JTE) adalah struktur perlindungan terminal efisiensi tinggi lainnya yang sering digunakan, tetapi efisiensinya sangat sensitif terhadap dosis JTE. Untuk tingkat tegangan ultra-tinggi, MZ-JTE dan CD-JTE [7] digunakan untuk memodulasi medan listrik secara kritis dan memerlukan kondisi dan waktu implantasi ion yang ketat, yang pada gilirannya meningkatkan kompleksitas dan biaya pembuatan. Untuk meningkatkan kemampuan konduksi, penelitian tentang karakteristik tinggi penghalang antara logam yang beragam dan SiC telah dilakukan [8, 9]. Biasanya, film Ti/Al setebal 50-100 nm dibentuk untuk kontak ohmik anoda dan film Ni untuk kontak ohmik katoda. Selain itu, skala area aktif penyearah 4H-SiC akan sangat mempengaruhi karakteristik arus maju. Ditemukan bahwa pada lapisan epitaksial tipe 4H-SiC N, Z1/2 tengah (EC —0,65 eV), tingkat akseptor karbon monovacancy, terutama mempengaruhi masa pakai pembawa [10]. Implantasi ion aluminium akan menghasilkan konsentrasi besar tingkat dalam yang besar yang melibatkan Z1/2 pusat di perifer mesa dan daerah terminasi persimpangan [11], menghasilkan penurunan masa pakai pembawa. Oleh karena itu, penyearah 4H-SiC dengan area aktif yang besar (> 9 mm
2
) diperlukan dalam desain dan manufaktur untuk dampak berkurangnya masa pakai pembawa di wilayah periferal mesa dan wilayah terminasi relatif dapat diabaikan.
Dalam makalah ini, penyearah 4H-SiC CFM-JTE PiN dibuat pada lapisan epitaksial 100 m 5 × 10
14
cm
−3
dan mencapai kapasitas pemblokiran yang cukup besar sebesar 13,5 kV dalam keadaan mati dan arus maju 100A @ VB = 5.2 V dalam keadaan aktif. Resistansi diferensial dari penyearah CFM-JTE PiN diukur sebesar 3,1 mΩ cm
2
pada suhu kamar. CFM-JTE memperoleh 96% dari tegangan tembus teoretis melalui konsep dan analisis modulasi medan muatan, yang secara menguntungkan memperluas jendela toleransi dosis implantasi dan menghasilkan panjang penghentian 400 μm yang dapat diterima.
Metode
Analisis Struktur Perangkat
Desain, optimasi dan analisis dijalankan oleh Silvaco-TCAD. Gambar 1 menunjukkan skema struktur 4H-SiC PiN dengan terminasi, yang melibatkan:(a) charge-field-modulated (CFM-JTE), (b) out-ring-assisted JTE (ORA-JTE), dan (c) JTE dua zona (TZ-JTE). Dalam keadaan pemblokiran, laju ionisasi tumbukan lubang elektron berhubungan erat dengan kuat medan listrik. Konsep modulasi medan listrik muatan Eq (r ) diusulkan untuk mengungkapkan mekanisme modulasi CFM-JTE melalui metode superposisi vektor medan listrik terminal yang disebabkan oleh medan listrik muatan Eq (r ) pada Gbr. 1a. CFM-JTE terdiri dari wilayah JTE1, wilayah JTE2 dan tiga kelompok cincin. Beberapa cincin secara setara membagi terminal menjadi lima zona doping:R1 -R2 , R2 -R3 , R3 -R4 , R4 -R5 dan R5 -R6 , di mana biaya efektif Q1 , T2 , T3 , T4 dan Q5 diperkenalkan, masing-masing. Berdasarkan dekomposisi dan superposisi vektor medan listrik di x dan y koordinat, medan listrik keseluruhan terletak di Ri titik yang disebabkan oleh medan potensial yang diterapkan Ep (r ) dan medan listrik muatan EQi (r ) dihasilkan oleh setiap Qi dapat dinyatakan secara analitis dalam x dan y arah, seperti yang diberikan dalam Persamaan. (1) dan (2), masing-masing.