紫外照射提升4H-SiC PiN二极管阻断电压：实验与模拟洞见

摘要

本研究探究184.9纳米紫外（UV）照射对高压4H-SiC PiN二极管静态性能的影响。正向导通特性照射后基本不变，反向阻断电压显著提升。TCAD模拟归因于表面负电荷增加驱动耗尽区扩展。深能级瞬态谱（DLTS）证实UV诱导深能级缺陷主导而非单纯负电荷捕获，从而提高阻断电压。结果凸显UV照射作为调控SiC功率器件特性的有力工具。

引言

碳化硅（SiC）凭借宽禁带、极高临界电场、高电子饱和漂移速度和优异热导率，迅速成为下一代高压、高温电子器件首选材料。SiC器件有望在1kV以上电压、100A以上电流、200°C以上工作温度应用中取代硅器件。虽然单极性SiC器件进展显著，双极结构——特别是4H-SiC PiN二极管——提供额外导电率调制优势，实现智能电网、储能和脉冲功率系统的超高压整流。

SiC功率器件制造常用干法刻蚀、溅射沉积等等离子体技术，易引入损伤降低电性能。先前工作显示高能UV经离子轰击和等离子体光致发射降解SiC MOSFET，脉冲UV激光在SiC MOS结构近界面产生氧化物陷阱。但UV照射对SiC PiN二极管影响未被探索，亟需系统研究其对正反特性的影响。

本文将4H-SiC PiN二极管暴露于184.9纳米UV光，评估正向导通和反向阻断电压变化。TCAD模拟阐释表面电荷积累作用，DLTS表征SiO₂/SiC界面态演变。实验-模拟联合揭示：UV照射产生深能级缺陷显著增强阻断电压且不损害正向导通。

方法

研究的4H-SiC PiN二极管结构：2微米缓冲层（1×10¹⁸ cm⁻³）和60微米n型漂移层（2×10¹⁴ cm⁻³）外延于4°偏角重掺杂n型4H-SiC(0001)衬底。顶部2微米p⁺阳极（2×10¹⁹ cm⁻³）。外延后，电感耦合等离子体刻蚀（SF₆/O₂）形成2.5微米高、300微米直径隔离台面，双Al离子注入JTE（1×10¹⁷ cm⁻³）缓解边缘电场拥挤。1650°C、30分钟Ar气氛退火激活。1100°C、3小时生长40纳米热氧化层，前经1小时氧化和HF浸泡确保表面洁净。Ni/Ti/Al和Ni接触（阳极/阴极）分别800°C和1000°C退火，比接触电阻1×10⁻⁵ Ω·cm²（n型）和3.75×10⁻⁵ Ω·cm²（p型）。厚Al覆盖层和聚酰亚胺封装保护正面高压测试。SiC-MOS电容在n型（7×10¹⁵ cm⁻³）外延层制备，供DLTS分析。

二极管和MOS电容在空气中184.9纳米（汞灯）照射72小时，无偏置。照射后用Wentworth探针和Agilent B1505A系统电学测量。DLTS用PhysTech FT-DLTS系统，反向偏压V_R=15V，脉冲电压V_P=2V，脉冲宽度1.5秒。

4H-SiC PiN二极管示意横截面

结果与讨论

图2、3对比器件D1、D2（直径3.5毫米，有效面积~10平方毫米）照射前后特性。正向压降几乎不变（100 A/cm²约3.95V），确认UV不影响导通路径。相反，D1阻断电压从7.0 kV升至9.2 kV（Δ=2.2 kV），D2提升1.7 kV，逼近60微米漂移层理论9.7 kV。初始~70%理想阻断电压可能反映JTE注入非最优。

UV照射前后正向导通特性

UV照射前后反向特性

表面陷阱深刻影响电场分布进而影响反向阻断。高能UV（≥5 eV）可将应变C-C键转化为电子陷阱，增加负界面电荷、正向平移平带电压。DLTS谱（图6）显示210 K（P1）和490 K（P2）两个电子陷阱。P2陷阱振幅照射后显著增大，表明深缺陷密度增加。增加的固定电荷密度吸引漂移层正载流子至界面，扩展耗尽宽度、均匀化电场（图4-5）。

不同表面负电荷下模拟击穿电压vs JTE注入浓度（无电荷、1×10¹¹、5×10¹¹、1×10¹²、5×10¹²、1×10¹³ cm⁻²）

表面电荷密度1×10¹¹和5×10¹² cm⁻²电场分布：(a)耗尽演化；(b)JTE/n-漂移结下方场截线（注入=6×10¹⁶ cm⁻³）

UV照射前后4H-SiC MOS电容DLTS谱；嵌图：Dit vs 活化能

结论

184.9纳米UV照射选择性增强4H-SiC PiN二极管阻断电压而不降低正向导通。机制涉及SiO₂/SiC界面UV诱导深能级缺陷累积负电荷，吸引漂移层载流子向表面聚集、扩展耗尽区。这种电荷重分布缓解边缘电场拥挤，使器件阻断电压逼近理论极限。这些洞见为可控UV工艺优化SiC功率器件性能铺平道路。