Рассмотрены особенности применения и возможности газофазной эпитаксии в технологии изготовления силовых вертикальных МДП-транзисторов на основе 4H–SiC при формировании дрейфовой области прибора и оптимизации электрофизических свойств канала транзистора. С технологической точки зрения ключевыми элементами для создания карбидокремниевых компонент силовой электроники, определившими возможность создания электронной компонентной базы (ЭКБ) силовой электроники на 4H–SiC, являются технологии объемного и эпитаксиального роста. Улучшение технологии эпитаксиального роста наряду с улучшением качества подложек сделало возможным изготовление приборных структур, демонстрирующих преимущества карбида кремния как базового материала силовой электроники по сравнению с другими полупроводниками.

DOI: 10.22184/1993-8578.2018.11.7-8.488.497

sitemap
Наш сайт использует cookies. Продолжая просмотр, вы даёте согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с нашей Политикой Конфиденциальности
Согласен
Поиск:

Вход
Архив журнала
Журналы
Медиаданные
Редакционная политика
Реклама
Авторам
Контакты
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
© 2001-2025
РИЦ Техносфера
Все права защищены
Тел. +7 (495) 234-0110
Оферта

Яндекс.Метрика
R&W
 
ISSN 1993-8578
ISSN 2687-0282 (online)
Книги по нанотехнологиям
 
Вход:

Ваш e-mail:
Пароль:
 
Регистрация
Забыли пароль?
Книги по нанотехнологиям
Вильнав Ж.-Ж.
Другие серии книг:
Мир материалов и технологий
Библиотека Института стратегий развития
Мир квантовых технологий
Мир математики
Мир физики и техники
Мир биологии и медицины
Мир химии
Мир наук о Земле
Мир электроники
Мир программирования
Мир связи
Мир строительства
Мир цифровой обработки
Мир экономики
Мир дизайна
Мир увлечений
Мир робототехники и мехатроники
Для кофейников
Мир радиоэлектроники
Библиотечка «КВАНТ»
Умный дом
Мировые бренды
Вне серий
Библиотека климатехника
Мир транспорта
Мир фотоники
Мир станкостроения
Мир метрологии
Мир энергетики
Книги, изданные при поддержке РФФИ
Выпуск #7-8/2018
А.Афанасьев, В.Ильин, В.Лучинин, А.Михайлов
Газофазная эпитаксия – ключевая технология силовых МДП-транзисторов на карбиде кремния
Просмотры: 3781
Рассмотрены особенности применения и возможности газофазной эпитаксии в технологии изготовления силовых вертикальных МДП-транзисторов на основе 4H–SiC при формировании дрейфовой области прибора и оптимизации электрофизических свойств канала транзистора. С технологической точки зрения ключевыми элементами для создания карбидокремниевых компонент силовой электроники, определившими возможность создания электронной компонентной базы (ЭКБ) силовой электроники на 4H–SiC, являются технологии объемного и эпитаксиального роста. Улучшение технологии эпитаксиального роста наряду с улучшением качества подложек сделало возможным изготовление приборных структур, демонстрирующих преимущества карбида кремния как базового материала силовой электроники по сравнению с другими полупроводниками.

DOI: 10.22184/1993-8578.2018.11.7-8.488.497
ВВЕДЕНИЕ
Востребованность силовой электроники определяется основными тенденциями развития современного общества, одной из которых является увеличение объема потребления энергоресурсов. Согласно данным международных энергетических агентств [1, 2], потребление электроэнергии в мире за последние 25 лет удвоилось и продолжает непрерывно расти. Совершенно очевидно, что увеличение эффективности использования электроэнергии позволит сократить потребление невозобновляемых природных ресурсов и уменьшить антропогенное воздействие на биосферу. Одним из способов увеличения эффективности систем энергообеспечения является снижение электрических потерь при преобразовании и коммутации электроэнергии.
В настоящее время приборы силовой электроники изготавливаются преимущественно из доступного и технологически освоенного полупроводника – кремния. Использование карбида кремния политипа 4H (4H–SiC) в качестве базового материала силовой электроники позволяет существенно увеличить эффективность работы силовых систем. Уникальные электрофизические свойства 4H–SiC (рис.1) определяют возможность создания на его основе силовой, импульсной, высокотемпературной и радиационно-стойкой ЭКБ нового поколения [3–6].

Более высокая напряженность поля лавинного пробоя в 4H–SiC по сравнению с кремнием [7–9] позволяет увеличить уровень легирования дрейфовой области силового прибора и уменьшить ее толщину, а значит, существенно понизить сопротивление по сравнению с кремниевым аналогом и, как следствие, резистивные (статические) потери в нем. Низкое сопротивление активной области позволяет использовать более высокочастотные униполярные приборы на основе 4H–SiC вместо существующих биполярных приборов на кремнии. Это позволяет увеличить рабочую частоту силовых устройств и использовать более миниатюрные пассивные компоненты. Низкие статические и динамические потери в приборах на основе 4H–SiC (в том числе из-за низкой концентрации неосновных носителей заряда) в совокупности с высокой теплопроводностью и максимальной рабочей температурой позволяют отказаться и от их принудительного охлаждения. Вышеперечисленные факторы определяют превосходство карбидокремниевой силовой электроники над кремниевой и дают возможность снизить массу, объем, электрические потери и стоимость всей силовой системы (рис.2) [10].
Современный уровень развития технологии изготовления МДП-транзисторов на 4H–SiC можно оценить по рис.3, на котором показаны параметры МДП-транзисторов на 4H–SiC и кремнии, выпускаемых разными производителями, и теоретические пределы для униполярных приборов на основе этих материалов. Видно, что технология изготовления МДП-транзисторов на кремнии исчерпала себя и благодаря ряду технических и технологических решений [11], даже превзошла свой теоретический предел, в то время как технология МДП-транзисторов на основе 4H–SiC требует дальнейшего развития, несмотря на существенный прогресс, достигнутый в последние десятилетия.
В настоящей статье представлены результаты разработок СПбГЭТУ "ЛЭТИ" в области создания МДП-транзисторов на основе 4H–SiC. Целью работы являлось исследование возможности улучшения технических и эксплуатационных параметров транзисторов, изготовленных с применением технологий ионной имплантации и газофазной эпитаксии по сравнению с разработанными ранее в [3, 5, 12].
Долгое время отсутствие технологии выращивания качественных кристаллов SiC большого размера сдерживало развитие SiC-электроники. Разработка нового метода выращивания объемных кристаллов SiC в Ленинградском электротехническом институте (1978 г.) Ю.М.Таировым и В.Ф.Цветковым на основе модификации метода Лели (метод ЛЭТИ) [13] позволила получать SiC-подложки большого размера и ознаменовала начало этапа индустриального становления SiC-технологии [14]. Трудно переоценить важность этой разработки и ее влияние на будущее всей силовой электроники.
Основным способом роста высококачественных эпитаксиальных структур 4H–SiC из газовой фазы является метод химического газофазного осаждения (CVD – Chemical Vapor Deposition). Преимуществом CVD-технологии является то, что в газообразном состоянии отношение Si/C можно контролировать в процессе роста эпислоев.
Важнейшей задачей в SiC-CVD-эпитаксии является обеспечение качества эпислоев в части политипной репликации (стабильной воспроизводимости политипа подложки эпислоем), морфологии, уровня легирования и толщины. Данные показатели связаны с технологическими параметрами процесса, которые необходимо контролировать (рис.4).
Эпитаксия 4H–SiC проводится при высоких температурах (1 550…1 750 °С) на предварительно искусственно отклоненных от базовых кристаллографических плоскостей подложках [15], что делает возможным наследование кристаллической структуры подложки и позволяет избежать включения иных политипов в выращенном эпислое. Легирование SiC-слоев в ходе эпитаксии осуществляется введением в реакционную камеру прекурсоров легирующих примесей (Al для формирования слоя p-типа проводимости и N для формирования слоя n-типа) в широком диапазоне концентраций: 1 · 1014…2 · 1019 см–3 – для N и 5 · 1014…5 · 1020 см–3 – для Al.
Поскольку подвижность электронов в 4H–SiC существенно выше подвижности дырок, на практике создают МДП-транзисторы с n-каналом, который индуцируется в p-области, сформированной методом ионной имплантации. Для этого на высоколегированной подложке n-типа формируют эпислой заданной толщины с определенной концентрацией азота в соответствии с расчетным напряжением пробоя. При этом для уменьшения в эпислое количества дефектов, наследуемых из подложки, сначала формируют тонкий буферный n+-слой [16].
Толщина дрейфовой области Wd и концентрация легирующей примеси в ней Nd рассчитываются исходя из напряжения пробоя Vb проектируемого МДП-транзистора и напряженности поля лавинного пробоя полупроводника Ecrit, которая зависит от концентрации легирующей примеси [17, 18]. Существует два подхода к расчету этих параметров: NPT-подход и PT-подход*.
При NPT-подходе Wd и Nd подбираются таким образом, чтобы при пробое структуры распределение поля имело треугольную форму с максимальным значением напряженности поля на металлургической границе p-n-перехода, равным напряженности поля лавинного пробоя полупроводника (рис.5). При этом площадь треугольника равна напряжению, приложенному к МДП-транзистору. При высоких значениях напряжения пробоя контактной разностью потенциалов можно пренебречь, и в случае резкого несимметричного p-n-перехода расчеты проводятся в соответствии со следующими выражениями [9, 17, 18] (рис.6, а):
form01.ai (1)

и form02.ai. (2)

Приведенное сопротивление дрейфовой области можно найти из уравнения (рис.6, б):
form03.ai, (3)

где μn = μn(Nd) – подвижность электронов в дрейфовой области.
Минимизация приведенного сопротивления транзистора является важной задачей, поскольку низкое сопротивление позволяет снизить статические потери в приборе или уменьшить его площадь, что приводит к снижению стоимости и зачастую дает определяющее конкурентное преимущество.
PT-подход позволяет снизить сопротивление дрейфовой области при том же напряжении пробоя (или увеличить напряжение пробоя при том же сопротивлении). В этом случае параметры дрейфовой области подбираются таким образом (см. рис.6а), чтобы распределение поля имело трапециевидную форму (см. рис.5), причем напряженность поля E1 в p-n-переходе "дрейфовая область – подложка" должна составлять 1/3 от напряженности поля на металлургической границе p-n-перехода, равной Ecrit. Данное условие соответствует минимуму функции Rdrift sp(s), где s =E1/Ecrit [18]:
form04.ai (4)

form05.ai (5)

откуда
form06.ai (6)

и form07.ai. (7)

Таким образом, при заданном напряжении пробоя достигается минимальное сопротивление дрейфовой области, которое на ~15% ниже, чем сопротивление дрейфовой области, спроектированной в рамках NPT-подхода (см. рис.6б).
Параметры дрейфовой области с расчетным напряжением пробоя 1 200 В:
Nd~1,5 ∙ 1016 см–3, Wd ~ 9,2 мкм, Rdrift sp ~ 0,39 мОм ∙ см2 (NPT-подход);

Nd~1,3 ∙ 1016 см–3, Wd ~ 7 мкм, Rdrift sp ~ 0,34 мОм ∙ см2 (PT-подход).

На практике необходимо предусмотреть некоторый запас по напряжению пробоя из-за наличия дефектов в кристаллической структуре 4H–SiC, возможных отклонений толщины дрейфовой области и концентрации примеси в ней от расчетных значений. Дрейфовая область изготовленного МДП-транзистора была спроектирована в рамках PT-подхода на напряжение пробоя ~2000 В с Rdrift sp~1,1 мОм ∙ см2 (Nd~ 7 ∙ 1015 см–3, Wd~13 мкм). Дрейфовая область, спроектированная на то же напряжение в рамках NPT-подхода, составляла бы величину Rdrift sp ~1,3 мОм ∙ см2.
Кроме формирования дрейфовой области, технология эпитаксиального роста 4H–SiC может быть использована для заглубления канала транзистора. По результатам моделирования в программном пакете Medici TCAD были сформированы два эпислоя: нижний слой n-типа толщиной 50 нм с уровнем легирования 1 ∙ 1017 см–3 и верхний слой p-типа толщиной 50 нм с уровнем легирования 2 ∙ 1016 см–3. Структура активной области силового МДП-транзистора с заглубленным каналом изображена на рис.7. На вставках представлены профили концентрации легирующей примеси в соответствующих сечениях структуры. Согласно результатам моделирования, эпислой n-типа в области канала должен быть полностью обеднен за счет верхнего эпислоя p-типа и высоколегированной p-области, а такой МДП-транзистор должен быть заперт при нулевом напряжении на затворе.
Формирование заглубленного канала путем выращивания эпислоев на высоколегированной p-области позволяет существенно увеличить подвижность носителей заряда в канале транзистора за счет снижения кулоновского рассеяния свободных носителей заряда на заряженных ловушках, поскольку электронный ток протекает дальше от границы раздела 4H–SiC/SiO2. Увеличение подвижности носителей заряда также связано с тем, что легированный в ходе эпитаксии слой SiC не имеет дефектов, образовавшихся вследствие бомбардировки поверхности SiC высокоэнергетическими ионами Al при формировании высоколегированной p-области методом ионной имплантации.
Силовые вертикальные МДП-транзисторы с заглубленным каналом (BC) и без (N2O) были сформированы из массива гексагональных ячеек и плавающих охранных колец, расположенных по периметру прибора, в соответствии с разработанной ранее топологией [12]. Ячейка транзистора имела ширину 13 мкм при длине канала 1 мкм и ширине JFET-области 3 мкм. Изображения одного из изготовленных силовых МДП-транзисторов приведены на рис.8. Подзатворный диэлектрик был сформирован методом термического окисления в атмосфере N2O.
Изготовленные транзисторные чипы, состоящие из ~37 000 ячеек и имеющие площадь активной области ~5,4 мм2, были установлены в корпус КТ-105-1 с последующей разваркой выводов. Выходные характеристики корпусированных приборов приведены на рис.9. Приведенное сопротивление транзисторов Rds(on) sp составило 23,8 и 7,3 мОм ∙ см2 для транзисторов N2O и BC соответственно. Транзистор BC способен коммутировать ток до 83 А в импульсном режиме (при Vgs = 20 В и Vds = 20 В), что соответствует плотности тока около 1 500 А/см2 и связано с его низким сопротивлением во включенном состоянии.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, процессы газофазной эпитаксии карбида кремния являются неотъемлемой составляющей технологического маршрута изготовления силовых МДП-транзисторов на 4H–SiC при создании базовой эпитаксиальной n–n+-структуры, обеспечивающей требуемое напряжение пробоя и оптимальное сопротивление дрейфовой области. Технология заглубления канала, реализуемая методом CVD-роста 4H–SiC эпислоев на p+-области, позволяет существенно снизить сопротивление транзистора во включенном состоянии.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ, проект № 03.G25.31.0243.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Enerdata. World energy statistics [Электронный ресурс]. URL: http://www.enerdata.net.
Международное энергетическое агенство [Электронный ресурс]. URL: http://www.iea.org.
Лучинин В.В. Технологии превосходства. Карбид кремния. Научно-технологический статус ЛЭТИ // Нано-микросистемная техника. 2016. Т.18. Вып. 5. С. 259–271.
Лучинин В.В. Отечественная экстремальная ЭКБ: карбидокремниевая индустрия СПбГЭТУ "ЛЭТИ" // Наноиндустрия. 2016. Т. 65. Вып. 3. С. 78–89.
Лучинин В.В. Отечественная экстремальная ЭКБ: карбидокремниевая индустрия СПбГЭТУ "ЛЭТИ" // Наноиндустрия. 2016. Т. 66. Вып. 4. С. 40–52.
Афанасьев А.В., Ильин В.А., Казарин И.Г., Петров А.А. Исследования термической стабильности и радиационной стойкости диодов Шоттки на основе карбида кремния // ЖТФ. 2001. Т. 71. Вып. 5. С. 78–81.
Ionization rates and critical fields in 4H silicon carbide / Konstantinov A.O. et al. // Appl. Phys. Lett. 1997. Vol. 71(1). P. 90–92.
Chynoweth A.G. Ionization rates for electrons and holes in silicon // Phys. Rev. 1958. Vol. 109(5). P. 1537–1540.
Sze S.M., Ng K.K. Physics of semiconductor devices, 3rd ed. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, Inc., 2006. 832 p.
Cree [Электронный ресурс]. URL: http://www.cree.com.
Ye H., Haldar P. Optimization of the porous-silicon-based superjunction power MOSFET // IEEE Trans. Electron Devices. 2008. Vol. 55(8). P. 2246–2251.
Афанасьев А.В., Ильин В.А., Лучинин В.В., Михайлов А.И., Решанов С.А., Schoner A. Отечественная карбидокремниевая электронная компонентная база – силовой SiC МДП-транзистор // Нано-микросистемная техника. 2016. Т.18. Вып. 5. С. 308–315.
Tairov Y.M., Tsvetkov V.F. Investigation of growth processes of ingots of silicon carbide single crystals // J. Cryst. Growth. 1978. Vol. 43(2). P. 209–212.
Лучинин В., Таиров Ю. Отечественный полупроводниковый карбид кремния : шаг к паритету // Современная Электроника. 2009. Т. 7. С. 12–15.
Matsunami H., Kimoto T. Step-controlled epitaxial growth of SiC. High quality homoepitaxy // Mater. Sci. Eng. R Reports. 1997. Vol. 20(3). P. 125–166.
La Via F., Camarda M., La Magna A. Mechanisms of growth and defect properties of epitaxial SiC // Appl. Phys. Rev. 2014. Vol. 1(3). P. 31301.
Kimoto T., Cooper J.A. Fundamentals of silicon carbide technology: growth, characterization, devices and applications. Singapore: John Wiley & Sons, Inc., 2014. 400 p.
Baliga B.J. Fundamentals of power semiconductor devices. Boston, MA: Springer US, 2008. 1069 p.
* NPT (Non Punch-Through) – без прокола дрейфовой области;
PT (Punch-Through) – с проколом дрейфовой области.
 
 Отзывы читателей
Разработка: студия Green Art