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減少在4H-SiC鍵合襯底上制造的PiN二極管的正向偏壓退化
2023-09-19
? 什么是4H-SiC鍵合襯底？
結構
• 采用直接晶片鍵合技術，將兩種不同類型的碳化硅疊加在一起的襯底
特征
• 鍵合界面無不穩定中間層→ 可適用各種SiC高溫工藝
• 極薄（亞微米級）的單晶 4H-SiC 層→ 最大限度地減少高質量單晶 4H-SiC 部分的體積
特色優勢
• 其獨特的結構有望帶來一些傳統4H-SiC塊狀襯底無法實現的優勢。
成果（2020年在日本發表）
• 降低4H-SiC PiN 二極管的導通電阻
• 無需熱退火工藝即可形成背面歐姆接觸
成果（2022年在瑞士發表）
• “減少 4H-SiC PiN 二極管的正向偏壓退化”
? 4H-SiC 雙極器件中的正向偏壓退化
現象
• 正向電壓（Vf）隨通過 pn 結的正向電流應力而增加
原因
• 由于電子-空穴對復合引起的基面位錯 (BPD) 導致肖克利型堆垛層錯 (SSF) 擴展
? 實驗（實驗過程）
• PiN 二極管的正向電流應力測試
• 正向電流應力條件
• 正向電壓偏移 (ΔVf) 的定義
? 結果與討論
正向電流應力測試和PL成像
• 兩種襯底的正向電流應力導致的 ΔVf 變化
• ΔVf 與 SSF 總面積之間的關系圖
ΔVf 反映了擴展 SSF 的總面積，這取決于體襯底中的正向電流應力。
對條形SSF數量的統計
• 研究具有高正向電流密度的電應力二極管內條形 SSF 的數量
正向電流應力測試和PL成像
• 兩種襯底的正向偏壓退化差異
• 在高正向電流密度（1000 A/cm2 或更高）條件下
- 塊狀襯底：一些條形SSF擴展
- 鍵合襯底：無條形SSF擴展
4H-SiC鍵合襯底中BPD減少機制的預測
1. 條形SSF的起源
• 在高正向電流密度（1000 A/cm2 或更高）條件下
- 塊狀襯底：一些 BPD 致條形 SSF 擴展
- 鍵合襯底：沒有 BPD 致條形 SSF 擴展
2. 正向電流密度的“貢獻”
• 在外延層/襯底界面下方的亞微米深度處
- 塊狀襯底：一些 BPD 致條形 SSF 擴展
- 鍵合襯底：沒有 BPD 致條形 SSF 擴展
3. BPD-TED轉換點可以移動到外延層/襯底界面下方的原因
• 4H-SiC 鍵合襯底對于減少4H-SiC雙極器件中的正向偏壓退化非常有利，特別是在高正向電流應力下。
? 總結
本報告展示了使用 4H-SiC 鍵合襯底減少PiN二極管正向偏壓退化的優勢。
• PiN 二極管的正向電流應力測試
• 光致發光成像
我們發現，在高正向電流密度（1000 A/cm2 或更高）條件下，條形 SSF 的擴展有明顯差異
• 參考之前的一些研究進行預測
預測了4H-SiC鍵合襯底中與TED滑動相關的BPD減少機制
來源：ICSCRM2022、芯TIP
作者：N. Hatta, S. Ishikawa, K. Ozono, K. Masumoto, K. Yagi,
M. Kobayashi, S. Kurihara, S. Harada, and K. Kojima
1)Advanced Power Electronics Research Center, National Institute of
Advanced Industrial Science and Technology (AIST)
2) SICOXS Corporation
3) Phenitec Semiconductor Co., Ltd
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