eng
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
Выпуск #7-8/2018
А.Афанасьев, В.Ильин, В.Лучинин, А.Михайлов
Газофазная эпитаксия – ключевая технология силовых МДП-транзисторов на карбиде кремния
Газофазная эпитаксия – ключевая технология силовых МДП-транзисторов на карбиде кремния
Просмотры: 3787
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
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.11.7-8.488.497
Теги: buried channel drift layer epitaxy mosfet power electronics silicon carbide заглубление канала карбид кремния мдп-транзистор силовая электроника эпитаксия
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.
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
