高压4H-SiC,肖特基势垒二极管的模拟及研制

摘要:结终端技术能提高4H-SiC肖特基势垒二极管器件的耐压性能。利用仿真软件ISE-TCAD10.0对具有结终端扩展JTE保护的4H-SiC SBD器件进行了仿真研究,并依据仿真优化好的参数试制了器件。实验测试结果表明,模拟优化结果与实验测试器件的结果一致性较好,实测此器件的反向电压值达2000V,接近理想击穿耐压88%,漏电流数值为0.1 mA/cm2.

关键词:肖特基势垒二极管; 结终端扩展;模拟;击穿耐压;实验

中图分类号:TN311文献标识码:A

Simulation and Fabrication of High-voltage 4H-SiC Schottky

Barrier Diode with Junction Termination Extension

ZHANGFa-sheng1.2 ,LIXin-ran1

(1.College of Electrical and Information Engineering,,Hunan Univ,Changsha,Hunan410082,China;2. School of Computer and Information Engineering,Central South Univ of Forestry and Technology,Changsha,Hunan410004,China)

Abstract: The junction termination techniques is very necessary to improve the breakdown voltage of a high-voltage 4H-SiC Schottky barrier diode (SBD).The 4H-SiC SBD with junction termination extension (JTE) was simulated using a two-dimensional device simulator ISE-TCAD10.0, and the 4H-SiC SBD with JTE was fabricated according to the simulation Optimal parameters. By experimental verification, a good consistency between simulation and experiment can be observed. The results show that the 4H-SiC SBD with optimized JTE edge termination can accomplish near ideal breakdown voltage can be 2000V, which achieves more than 88 percent of ideal parallel plane junction breakdown voltage,and the leakage current density can be as low as 0.1 mA/cm2 .

Key words: Schottky barrier diode;junction termination extension;simulation;breakdown voltage;experiment

引 言

近年来,随着科学技术的迅猛发展,在国防军事、航空航天、工业电气化等领域,迫切需要具有能耐高温、抗辐照、高频率、功耗小和大功率等特性的器件。在众多的宽禁带化合物材料中,碳化硅以其优良的物理化学特性和电特性,成为制造耐高温、抗辐照、高频率、功耗小和大功率电子器件的一种最具有优势的半导体材料,并且具有远大于 Si材料的功率器件品质因子[1-4]。SiC 功率器件的研发始于20世纪90年代,目前已成为新型功率半导体器件研究开发的主流[5]。

肖特基势垒二极管为金属半导体整流结,为多数载流子器件,具有高速开关能力的功率整流器是高频电路及微波领域的基础器件。由于传统的硅肖特基二极管的击穿电压低(<100V)通态电阻较高,不适合于在高温下工作(>2000C),在应用上受到限制。而SiC SBD 弥补了Si SBD的不足,它是高

压快速与低功率损耗、耐高温等优点相结合的理想

器件。理论表明,制作低开启电压,击穿电压超过5kV,并且能在6000C以上的高温下正常工作。基于上述考虑,行内专家都普遍认为碳化硅功率器件在功率半导体器件中的发展应用前景是非常诱人的。无庸讳言,到目前为止,虽然,碳化硅器件的研究水平取得了长足进展,但在器件承受更高反向耐压能力方面,仍然存在不少困难,其中制约器件耐压提高一个关键因素就是在器件结终端区域出现电场集中,导致边缘电压下降,从而影响器件的反向耐压提高[5]。

本文采用ISE-TCAD10.0软件对带有结终端扩展保护的4H-SiC SBD进行模拟优化,然后依据模拟优化参数,结合现有的实际平面工艺,制作了较为理想的具有结终端扩展保护的Ni/4H-SiC肖特基势垒二极管。

1 器件的结构和模拟模型

图1即为带有JTE终端保护的4H-SiC SBD模拟结构截面图。衬底惨杂浓度为1×1019cm-3,外延层的厚度和掺杂的浓度分别为12µm和5×1015cm-3,金属镍淀积在外延层表面上形成肖特基结(阳极)。

图1 具有JTE终端保护的4H-SiC SBD模拟结构截面图

Fig.1 Schematic cross section of 4H-SiC SBD with JTE

本次采用的性能优良的软件ISE—TCAD10.0来模拟带有JTE保护的4H-SiC SBD电特性,软件模拟的思想就是求解泊松方程和载流子连续性方程等[6]。具体用到如下6个方程:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

其中 是本征费米能势, 和 分别是施主和受主离化杂质浓度, 表面电荷密度, 是电子(空穴)迁移率, 介电常数,q电子电荷,n and p电子和空穴的浓度, 净电子空穴复合率, 电流密度, 电子(空穴)准费米势。

大家都知道,肖特基二极管发生击穿存在两种击穿的机理,一种是雪崩击穿,另一种是隧道击穿,又因为隧道击穿主要发生在耐压很低的情况下,所以,本文主要考虑雪崩击穿机理,而决定雪崩击穿发生的最主要的参数就是碳化硅材料的介电常数和碰撞电离率[7]。在ISE—TCAD10.0软件中使用的碰撞电离率的模型是:

(6)

其中 an (cm-1)=1.76×108, bn(V/cm)=3.30×107;

ap(cm-1)=3.41×108 , bp(V/cm)=2.50×107.

4H-SiC SBD器件的临界击穿电场强度可按下式近似确定[7]:

(7)

杂质的非完全离化模型也被考虑,该模型指的是在室温下杂质并没有完全离化,对在300K掺杂浓度为1017cm-3N型而言,其杂质的离化率为75%,当温度高达700K掺杂浓度为1017cm-3N型而言,其杂质的离化率升高为95%.,杂质离化率随温度升高而升高。杂质的离化浓度与温度关系具体由下式给出:

(8)

(9)

其中NA 和ND分别表示受主和施主原子浓度,EFp 和 EFn 分别表示电子和空穴准费米能,EC 和 EV 分别表示导带和价带能,GA/T 表示杂质简并度, 表示晶格的绝对温度, 表示玻尔磁曼常数。

2 模拟结果

依照图1所示的结构和参数,通过实际的模拟发现4H-SiC SBD器件的反向耐压的能力和JTE的参数密切相关,尤其与JTE中的薄层掺杂浓度和长度L有关。

图2所示给出了JTE的薄层掺杂浓度与SBD阻断耐压关系曲线。浓度的变化范围从1.1×107cm-3到2.3×107cm-3;图3直观地反映了肖特基阻断耐压大小与JTE浓度和深度关系,并且从图3曲线中看出器件的最大击穿电压发生在浓度约为1.7×1017cm-3;从中发现,在JTE整个设计制作中必须精确控制NA-JTE大小;图4反映了耐压与JTE长度的关系,当L数值较小时,反向耐压随L的增大而增大很快,最后当L增大到45m,反向耐压量就接近饱和而不变。在这个最佳L数值时,电场沿JTE的分布相对均匀,电场强度分布均匀。

图2 带JTE保护4H-SiC SBD的反向特性与JTE区浓度之间关系

Fig.2 Reverse characteristics for JTE terminated 4H-SiC SBD with different NA-JTE

图3 带JTE保护4H-SiC SBD的反向耐压与JTE区浓度和结深之间关系

Fig.3 NA-JTE dependence of the breakdown voltage for 4H-SiC SBD with different depths of JTE

图4带JTE保护4H-SiC SBD的反向耐压与JTE 的长度之间关系

Fig .4Reverse voltagefor JTE terminated 4H-SiC SBDwithdifferent L ofJTE

3 器件的研制和实验结果

按照上述模拟结果参数,根据实际的现有平面工艺条件,研制出了带JTE终端保护Ni/4H-SiC肖特基势垒二极管结构剖面图如图1所示。实验中使用的材料是从美国CREE公司购买的N+N型总厚度为350μm的4H-SiC半导体材料,有效面积约1mm2,N+衬底层浓度为1×1019cm-3,N型外延层厚度为15μm。本次采用的平面制造工艺,主要包括如下几道主要流程: (1)超声设备超声清洗4H-SiC半导体材料样片30分钟,然后分别用1号和2号煮洗液煮沸清洗各15分钟,再用冷热去离子水冲洗去除晶片表面杂质离子并脱水烘干20分钟。(2)样片有源区C膜的制作、光刻和离子注入三价金属Al形成P型掺杂区,并在炉温为15500C,通氩气作为保护气体,进行RTA退火。(3)样片清洗同(1),有源区掺氯氧化(炉温为11500C ,时间5小时,二氧化硅厚度为70nm)。(4)样片清洗同(1),在高真空(5×10-5Pa)炉中,并将衬底加热到1200C用电子束热蒸发厚度为1.2μm的Ni金属,再在高真空高温(T=9200C)下退火10分钟,形成良好欧姆接触。(5)样片有源区光刻,外延层在高真空(5×10-5Pa)炉中,且将衬底加热到1200C用电子束热蒸发厚度为1.0μm的Ni金属,且不用退火,形成良好肖特基接触。(6)反刻样片有源区Ni金属,清洗和测试等后续工序,制成4H-SiC SBD。

通过C-V测得掺杂浓度近似5.0×1015cm-3。因SiC与Ni金属接触性能相对较好,所以选用金属Ni分别与4H-SiC形成肖特基接触和欧姆接触[8]。

图5给出在室温下的该器件正向I—V特性;图6给出在室温下的该器件反向I—V特性,雪崩击穿电压高达2000V,达到理想击穿电压88%。在1700V时,器件的漏电流密度为0.1mA/cm2。从这些实验数据发现,所研制出的器件的击穿电压比起模拟优化的击穿电压数值要低些的原因可能跟JTE的参数没有精确控制住有关,当然也可能与4H-SiC材料中含有各种缺陷及研制工艺杂质污染等有关。

图5 Ni/4H-SiC肖特基二极管正向I-V特性

Fig.5Forward I-V characteristic ofNi/4H-SiC SBD

图6 Ni/4H-SiC肖特基二极管反向I-V特性

Fig.6 Reverse I-V characteristic of Ni/4H-SiC SBD

图7给出了带JTE终端保护的Ni/4H-SiC SBD所加反压300V时的反向恢复特性曲线。该曲线表示在150 0C情况下,起始正向电流为5A,电流下降率di/dt为800A/μs。因SBD导通主要是由多数载流子起作用,因此在正向偏置条件下仅有极低储存电荷,导致反向峰值电流仅为—3A,比硅PiN二极管反向峰值电流20A小得多;另外,该肖特基二极管反向恢复时间仅为30ns,比硅PiN二极管反向恢复时间150ns小得多[9] 。

图7 Ni/4H-SiC肖特基二极管反向恢复特性

Fig.7 Reverse recoverycharacteristics oftheNi/4H-SiC SBD

4结 论

本文通过ISE-TCAD软件比较系统优化设计了具有结终端扩展JTE保护的4H-SiC SBD器件,具体指出了JTE的掺杂浓度和长度深刻影响该器件的反向电压关系。根据该器模拟优化结构及参数值,试制出了具有结终端扩展JTE保护的4H-SiC SBD。最后,

通过测试初步表明实验数据与模拟优化理论数值基本一致,说明该模拟优化方法是合理正确的。同时,本设计方法原则上也适用于诸如PiN diodes ,Bipolar transistors and MOSFETs等其他高压碳化硅器件。

参考文献

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