紫外线照射对 4H-SiC PiN 二极管特性的影响

介绍

碳化硅（SiC）由于其宽带隙、高临界电场强度、高电子饱和速度和优异的导热性，有望成为下一代高功率和高温电子器件的有前途的候选材料[1]。 ,2,3,4]。正在开发 SiC 器件以取代目前在硅中使用的许多器件，特别是在需要在高电压和电流水平以及高于 200°C 的温度下运行的要求中。与单极器件相比，SiC 双极器件由于近年来的电导调制效应，在超高电压应用中引起了极大的兴趣。作为典型的双极器件，高压 4H-SiC PiN 二极管已被证明是高压整流器应用的潜在选择，包括先进的智能电网、储能和脉冲电源 [5,6,7,8]。在碳化硅功率器件的制造过程中，干法刻蚀和溅射沉积等几种等离子体工艺被广泛使用。已经报道了一些关于 SiC 器件中工艺引起的损坏导致电气退化的工作 [9, 10]。此外，先前的研究表明，紫外线照射通过高能离子轰击和等离子体光发射显着降低了 SiC 金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 的性能 [11, 12]。最近，据报道，脉冲紫外激光照射 4H-SiC 金属-氧化物-半导体 (MOS) 会诱发近界面氧化物陷阱并导致器件性能漂移和可靠性降低 [13]。然而，据我们所知，到目前为止，还没有研究过紫外线对 SiC PiN 器件的照射，有必要了解其对 SiC PiN 器件特性的影响。

在这项研究中，我们使用 184.9 nm 波长的紫外线照射研究了紫外线照射对 4H-SiC PiN 二极管正向和反向阻断特性的影响。使用技术计算机辅助设计 (TCAD) 模拟展示了表面电荷积累对 SiC PiN 二极管击穿电压的影响。辐照前后的 SiO2/SiC 态密度通过 SiC MOS 上的深能级瞬态光谱 (DLTS) 系统进行表征。 DLTS被广泛用于研究MOS电容器的界面态密度（Dit）分布和深部缺陷[14, 15]。

方法

本文报道的4H-SiC PiN二极管的结构示意图如图1所示。2μm厚的缓冲层掺杂为1 × 10 ¹⁸ 厘米 ⁻³ 和 60 μm 厚的 n-漂移层，掺杂浓度为 2 × 10 ¹⁴ 厘米 ⁻³ 在 4°离轴重掺杂 n 型 4H-SiC(0001) 衬底上连续生长。然后，顶层是p + 阳极，厚度为2μm，掺杂浓度为2 × 10 ¹⁹ 厘米 ⁻³ .在外延生长之后，使用电感耦合等离子体通过 p + 阳极层反应进入 n-漂移层，图案化具有 2.5 μm 高度和 300 μm 直径的圆形隔离台面结构。蚀刻气体和掩模材料为SF6/O2，分别通过等离子体增强化学气相沉积法沉积。在台面隔离之后，1 × 10 ¹⁷ 的双铝植入物 厘米 ⁻³ 形成基于结终端扩展 (JTE) 以减轻台面边缘附近的电场拥挤。通过在 Ar 中在 1650°C 下退火 30 分钟来激活植入物。牺牲 SiO2 层在 1100°C 下生长 1 小时并浸入 HF 以提供用于热氧化的新鲜表面。然后，在干燥 O2 环境中在 1100°C 下进行热氧化 3 小时，SiO2 层厚度约为 40nm，然后在 Ar 环境中在 1100°C 下退火 1 小时。阳极接触材料为 Ni/Ti/Al，阴极接触材料为 Ni。这些金属分别在 800°C 和 1000°C 下退火 2 分钟以获得高质量的欧姆接触。线性转移长度法表征的接触电阻率为1 × 10 ^-5 Ω cm ² 和 3.75 × 10 ⁻⁵ Ω cm ² 分别用于 Ni n 型和 Ni/Ti/Al p 型欧姆接触。具有厚铝的覆盖层金属沉积在阳极和阴极上。二氧化硅层和厚的聚酰亚胺层在正面进行了图案化，以避免在高压测量过程中产生表面火花。此外，在高质量的 n 型 (7 × 10 ¹⁵ 厘米 ⁻³ ) 重掺杂 4H-SiC 衬底上的外延层。 40 nm 热氧化物是基于 SiC PiN 的标准工艺生长的。栅电极和背面欧姆接触分别用Al和Ni形成。

4H-SiC PiN二极管截面示意图

4H-SiC PiN 二极管和 SiC-MOS 电容器在空气中使用波长为 184.9 nm 的汞灯在没有偏置应力的情况下通过紫外光照射 72 小时。通过温特沃斯探针和 Agilent B1505A 半导体表征系统评估了紫外线照射前后 4H-SiC PiN 的电特性。然后通过 PhysTech 傅立叶变换 DLTS 系统表征 SiC-MOS 电容器的界面态和固定电荷。施加的反向偏压 V R 和填充脉冲电压 V P 分别为 15 V 和 2 V。采样周期t 来自 V 的偏置脉冲的 w R 到 V P 为 1.5 秒。

结果与讨论

UV 照射对 SiC PiN 静态特性的影响如图 1 和图 5 所示。图 2 和 3 比较了设备 1 (D1) 和设备 2 (D2) 辐照前后测量的特性。圆形 SiC PiN 二极管的直径为 3.5 毫米，有效面积约为 10 毫米 ² .在 100 A/cm 的电流密度下，SiC PiN 的正向压降约为 3.95 V ² 用于紫外线照射前的两个设备。在图 2 中可以清楚地观察到，两个器件的正向导通状态特性没有显着变化，在紫外线照射后从 3.95 V 变为 4.0 V。在 60 μm 厚的 n 漂移外延层上制造的器件 1 和器件 2 实现的阻断电压分别为 7 kV 和 7.2 kV，漏电流小于 1μA。需要注意的是，对于 60 μm 厚的漂移层，PiN 二极管的阻断效率约为 9.7 kV 理论值的 70%，杂质激活的不准确可能导致偏离最佳 JTE 注入窗口。 UV 照射后，器件 1 的阻断电压从 7 kV 显着增加到 9.2 kV，提高 2.2 kV，接近理想的平行平面值。相应地，UV照射后器件2的性能提高了1.7 kV。

UV照射前后4H-SiC PiN二极管的正向导通特性

UV照射前后4H-SiC PiN二极管的反向特性

众所周知，表面陷阱对端区电场分布有显着影响，进而影响 SiC 功率器件的反向阻断特性。池口等。已经表明光子能量 ≥ 5 eV的高能UV照射可以将预先存在的应变C-C双键转化为活性电子陷阱，从而导致产生由正V<观察到的带负电荷的界面缺陷/i> C/V 曲线的 FB 偏移 [11, 12]。同时，紫外线照射产生的电子可能会被深陷阱界面缺陷捕获，从而随着固定电荷密度的增加而带负电。图 4 说明了模拟阻塞特性对具有各种表面负电荷的双注入 JTE SiC PiN 二极管的注入浓度的依赖性。很明显，JTE 区域的表面电荷对反向阻断性能有显着影响，尤其是当 JTE 注入浓度偏离最佳窗口时。对于给定的双注入终止结构，随着表面负电荷的增加，可以实现更宽的目标阻断值最佳窗口。很明显，JTE结构对低于1 × 10 ¹¹ 的界面电荷不太敏感 cm ⁻² 阻断电压无明显变化。表面电荷密度大于5 × 10 ¹¹ cm ⁻² ，击穿电压会急剧增加。令人惊讶的是，击穿电压近似达到理论值，注入窗口为 2 × 10 ¹⁶ 厘米 ⁻³ 到 8 × 10 ¹⁷ 厘米 ⁻³ 表面电荷密度为1 × 10 ¹³ cm ⁻² .

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表面负电荷的模拟击穿电压与 JTE 注入浓度的关系，包括无电荷，1 × 10 ¹¹ cm ⁻² , 5 × 10 ¹¹ cm ⁻² , 1 × 10 ¹² cm ⁻² , 5 × 10 ¹² cm ⁻² , 和 1 × 10 ¹³ cm ⁻² 分别

图 5 比较了负表面电荷积累对阻塞特性的电场分布的影响。 4H-SiC PiN 二极管中随着耗尽区演变的电场分布如图 5a 所示。当负电荷增加到5 × 10 ¹² cm ⁻² 在 SiC PiN 的 SiO2/SiC（JTE 结构区域）界面处，N 漂移层的正电荷被收集到界面表面，导致耗尽区显着扩展 [16]。图 5b 显示了 JTE/n-漂移区结下方的电场切割线，表面负电荷密度为 1 × 10 ¹¹ 和 5 × 10 ¹² cm ⁻² .在1 × 10 ¹¹ 的低表面电荷的情况下 cm ⁻² ，边缘终端区域出现严重的电场拥挤，最大值为 2.5 MV/cm，击穿电压约为 8 kV。随着电荷密度增加到5 × 10 ¹² cm ⁻² ，峰值电场下降到 2.2 MV/cm，相比之下，边缘终止区的电场拥挤得到抑制。同时，电场分布更加均匀，击穿电压明显增加。因此，表面负电荷可以引起耗尽层的扩展，缓解电场拥挤，从而提高击穿电压。

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表面负电荷密度为1 × 10 ¹¹ 的SiC PiN模拟电场分布 cm ⁻² 和 5 × 10 ¹² cm ⁻² ：a 电场分布随耗尽区演化b JTE/n 漂移区结下方的电场切割线。注入浓度采用6 × 10 ¹⁶ 厘米 ⁻³

为了进一步验证辐射引起的电子缺陷产生的物理机制，需要对 SiO2/SiC 界面进行更好的电学表征以进行更详细的研究。 4H-SiC SiC-MOS 电容器的 DLTS 光谱在紫外线照射前后从 15 V 到 2 V 耗尽，如图 6 所示。从 DLTS 光谱，在 4H-SiC MOS 电容器中观察到两个峰紫外线照射后，分别位于 210 K 和 490 K。负 DLTS 峰表明 P1 和 P2 能级是电子陷阱。广泛而显着的 P2 水平显示峰值幅度显着增加，这意味着电子陷阱的浓度因紫外线照射而增加。此外，发现 DLTS 信号与填充时间成正比增加，表现出扩展缺陷的陷阱填充动力学特征，例如界面缺陷而不是点缺陷。插图显示了界面态密度与活化能 ET 的分布。界面态密度的计算公式为 \(D_{{{\text{it}}}} =\varepsilon_{{{\text{sic}}}} C_{{{\text{ACC}}}} AN_{{ \text{D}}} \Delta C/\left[ {C_{R}^{3} kT} \right]\) [17]。从图中可以看出，界面缺陷从E在带隙中产生了一个能带 C − 0.65 eV 到 E C − 1.25 eV 及其密度从 2 × 10 ¹² 显着增加 cm ⁻² eV ⁻¹ 到 6 × 10 ¹² cm ⁻² eV ⁻¹ 紫外线照射后。 Dong 等人结合瞬态电容测量、高分辨率透射电子显微镜和密度泛函理论计算。表明这种界面缺陷源于界面处带负电的过量分裂间隙碳 [18]。 210 k 处的 P1 峰对应于 E 处的电子陷阱 C − 0.41 eV。它的浓度在紫外线照射后没有发生本质变化，并且暂时将 P1 陷阱分配给 SiC 外延层中的点缺陷。然而，其原子构型仍不清楚，需要在未来的研究中澄清。

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紫外线照射前后 4H-SiC PiN 二极管的 DLTS 光谱。插入显示 D UV照射前后4H-SiC PiN二极管的分布