Rectificador de potencia 4H‑SiC mejorado mediante JTE modulado por campo de carga: mayor eficiencia y tolerancia a la dosis

Resumen

En este trabajo se fabrica un rectificador PiN de 4H‑SiC de 13,5 kV con un área activa considerable de 0,1 cm². Se propone una extensión de terminación de unión modulada por campo de carga (CFM‑JTE) para satisfacer el requisito de tensión inversa ultra‑alta, lo que amplía la ventana de tolerancia a la dosis de implantación del JTE, haciéndola aproximadamente 2,8 veces mayor que la del JTE convencional de dos zonas. Además, la estructura CFM‑JTE puede implementarse mediante el proceso convencional de JTE de dos zonas. La corriente directa medida alcanza hasta 100 A @ V_F = 5,2 V sin tecnología de mejora de la vida media de los portadores. La estructura CFM‑JTE logra el 96 % de la tensión de ruptura teórica de la unión de plano paralelo con un área terminal relativamente pequeña de 400 μm, lo que contribuye a alcanzar una figura de mérito de Baliga de 58,8 GW/cm².

Introducción

El carburo de silicio (SiC) se ha convertido en una nueva opción para mejorar aplicaciones de potencia gracias a sus características: mayor tensión de operación en capas activas más delgadas, mayor densidad de potencia, conmutación a mayor frecuencia, mejor disipación de calor, menor tamaño del sistema y menor coste [1, 2]. En los últimos años, los rectificadores y MOSFETs comerciales de SiC se han clasificado en 1,2–1,7 kV. Sin embargo, en campos representativos como redes inteligentes, vehículos eléctricos, fuentes de alimentación pulsadas y fuentes de alimentación de estado sólido de ultra‑alta tensión, existe una demanda creciente de capacidad de bloqueo superior a 10 kV y capacidad de corriente directa superior a 1000 A cm⁻².

Hasta ahora, los principales desafíos de los dispositivos de potencia de SiC de 10 kV y superior se centran en el rendimiento de la tecnología de terminación de unión, simplificación de procesos de fabricación, alta calidad de la capa epitaxial gruesa y reducción de defectos superficiales. Para dispositivos de SiC de ultra‑alta tensión, la longitud de la estructura terminal suele ser 6–8 veces el espesor epitaxial [3], lo que reduce drásticamente la tasa de utilización de la oblea y aumenta el coste de fabricación. Los rectificadores PiN de 4H‑SiC son los candidatos más adecuados para aplicaciones de ultra‑alta tensión debido al efecto de modulación de conductividad. Para la estructura de anillos limitadores de campo (FLR), se puede obtener un diseño de optimización preciso mediante cálculo analítico [4], pero la fotolitografía actual no logra la precisión requerida en el espaciado y ancho de los anillos. La nueva terminal de anillos limitadores de campo para dispositivos de SiC de 10 kV se ha aplicado para lograr una alta eficiencia de protección inversa [5, 6], pero su área terminal supera los 700 μm, consumiendo oblea adicional. La extensión de terminación de unión (JTE) es otra estructura de protección terminal de alta eficiencia, pero su eficiencia es extremadamente sensible a la dosis del JTE. Para niveles de ultra‑alta tensión, se utilizan JTE de múltiples zonas (MZ‑JTE) y JTE de dopaje compensado (CD‑JTE) [7] para modular críticamente el campo eléctrico, requiriendo estrictas condiciones y tiempos de implantación iónica, lo que aumenta la complejidad y el coste de fabricación. Para mejorar la capacidad de conducción, se han investigado las características de la altura de barrera entre diversos metales y SiC [8, 9]. Generalmente, se forma una película de Ti/Al de 50–100 nm para el contacto óhmico del ánodo y una película de Ni para el del cátodo. Además, la escala del área activa del rectificador de 4H‑SiC afecta enormemente las características de corriente directa. Se ha encontrado que en la capa epitaxial tipo N de 4H‑SiC, el centro Z₁/₂ (E_C—0,65 eV), nivel aceptor de la monovacancia de carbono, afecta principalmente la vida media de los portadores [10]. La implantación de iones de aluminio genera una gran concentración de niveles profundos masivos que involucran el centro Z₁/₂ en la periferia del meseta y la región de terminación de unión [11], reduciendo la vida media de los portadores. Por tanto, se requieren rectificadores de 4H‑SiC con área activa grande (> 9 mm²) en diseño y fabricación para que el impacto de la vida media reducida en la región periférica y de terminación sea relativamente despreciable.

En este artículo, el rectificador PiN CFM‑JTE de 4H‑SiC se fabrica sobre una capa epitaxial de 100 μm con dopaje de 5 × 10¹⁴ cm⁻³, logrando una capacidad de bloqueo considerable de 13,5 kV en estado apagado y corriente directa de 100 A @ V_F = 5,2 V en estado encendido. La resistencia diferencial en encendido del rectificador PiN CFM‑JTE se mide en 3,1 mΩ cm² a temperatura ambiente. El CFM‑JTE obtiene el 96 % de la tensión de ruptura teórica mediante el concepto y análisis de modulación de campo de carga, lo que amplía favorablemente la ventana de tolerancia de la dosis de implantación y conduce a una longitud de terminación aceptable de 400 μm.

Métodos

Análisis de la estructura del dispositivo

El diseño, optimización y análisis se realizan mediante Silvaco‑TCAD. La figura 1 muestra el esquema de la estructura PiN de 4H‑SiC con terminación, que incluye: (a) JTE modulado por campo de carga (CFM‑JTE), (b) JTE asistido por anillo exterior (ORA‑JTE) y (c) JTE convencional de dos zonas (TZ‑JTE). En estado de bloqueo, la tasa de ionización por colisión electrón‑hueco está estrechamente relacionada con la intensidad del campo eléctrico. Se propone un concepto de modulación de campo eléctrico de carga E_q(r) para revelar el mecanismo de modulación del CFM‑JTE mediante el método de superposición vectorial del campo terminal causado por el campo de carga E_q(r) en la Fig. 1a. El CFM‑JTE consta de región JTE1, región JTE2 y tres grupos de anillos. Los anillos múltiples dividen equivalentemente la terminal en cinco zonas dopadas: R₁‑R₂, R₂‑R₃, R₃‑R₄, R₄‑R₅ y R₅‑R₆, donde se introducen cargas efectivas Q₁, Q₂, Q₃, Q₄ y Q₅, respectivamente. Basándose en la descomposición y superposición de vectores de campo eléctrico en coordenadas x e y, el campo eléctrico global en el punto R_i causado por el campo de potencial aplicado E_p(r) y el campo de carga E_Qi(r) generado por cada Q_i puede expresarse analíticamente en las direcciones x e y, como se muestra en las ecuaciones (1) y (2).

En estado apagado, la región de agotamiento de bajo dopaje se contrae prematuramente y se detiene en la región de terminación debido al efecto de curvatura en la unión principal PiN. Así, el campo de potencial aplicado E_p(r) se concentra plenamente en la periferia de la unión principal. La existencia de Q_i promueve el agotamiento a lo largo del CFM‑JTE hacia la capa epitaxial más externa. La intensidad del campo de carga E_Qi está asociada a la cantidad de Q_i. La disminución de Q_i a lo largo del borde exterior de la terminal logra efectivamente la modulación del campo eléctrico en la región terminal. Consecuentemente, mediante el mecanismo y efecto de modulación de campo de carga, el CFM‑JTE supera eficazmente la deficiencia del bajo coeficiente de difusión del SiC para formar el efecto de dopaje lateral variado (VLD), una tecnología de protección terminal de unión altamente eficaz, robusta y madura para dispositivos de Si [12, 13]. El ancho de anillo (w_r) de cada grupo se reduce a 15 μm, 12 μm y 9 μm, respectivamente. El espaciado de cada anillo es igual a 5 μm. La longitud y dosis de la región JTE1 y JTE2 están ambas en una proporción fija de 3:2. Los parámetros detallados del rectificador propuesto se dan en la Tabla 1.

Simulación y optimización

Para disminuir las desviaciones causadas por la sensibilidad de la estructura del dispositivo y las concentraciones de dopaje, se aplica la configuración de procesamiento Athena. Las concentraciones de dopaje del CFM‑JTE se forman mediante simulación de proceso de implantación de aluminio en múltiples pasos. La profundidad total de dopaje alcanza casi 1 μm.

La figura 2 muestra las capacidades de bloqueo y tolerancias a la dosis de implantación del CFM‑JTE, ORA‑JTE y TZ‑JTE convencional. Las cuatro estructuras de terminación comparten una longitud fija de L = 400 μm para comparar su eficiencia. Tanto la longitud como la dosis de JTE1 y JTE2 se fijan en una proporción de 3:2. La simulación se realiza en estructura 2‑D, y el criterio de juicio de ruptura es que la corriente de fuga inversa alcanza 1 × 10⁻⁹ A. La línea negra continua representa la BV teórica calculada en 14,1 kV según [10, 14], y la línea gris discontinua indica 12 kV. Se aplica un margen de diseño del 20 % en el objetivo para 10 kV considerando la tolerancia del proceso y la desviación de simulación. En el TZ‑JTE convencional, la tensión de ruptura es muy sensible a la dosis de implantación y supera 12 kV solo cuando la dosis varía entre 0,98 y 1,14 × 10¹³ cm⁻². La sensibilidad del ORA‑JTE a la concentración de inyección del JTE se alivia, obteniéndose una ventana de tolerancia más amplia de 0,97–1,28 × 10¹³ cm⁻² para mantener la tensión objetivo por encima de 12 kV. El CFM‑JTE tiene la ventana de tolerancia de dosis de implantación más amplia en un rango de 0,86–1,30 × 10¹³ cm⁻², aproximadamente 2,8 veces la del TZ‑JTE convencional y 1,4 veces la del ORA‑JTE. Así, el CFM‑JTE muestra mejor robustez ante variaciones de proceso.

La figura 3 muestra la comparación de la distribución e intensidad del campo eléctrico superficial del CFM‑JTE, ORA‑JTE y TZ‑JTE en estado de bloqueo. El campo eléctrico pico se concentra principalmente en la unión principal y la periferia terminal. El CFM‑JTE aplana eficazmente la distribución del campo eléctrico y promueve la intensidad del campo a lo largo de la terminal, mejorando eficientemente la capacidad de bloqueo.

Para comprender el mecanismo de modulación del campo de carga del CFM‑JTE, se trazan en la Fig. 4 las distribuciones del campo eléctrico de ruptura a lo largo de la línea de corte AA' de la Fig. 1a con diferentes dosis de implantación de JTE1. La existencia de Q_i, especialmente la zona Q₁ altamente dopada junto a la unión principal, alivia enormemente la concentración de líneas de campo eléctrico en la esquina de grabado del meseta. La zona Q₅ se establece para aliviar la concentración de campo eléctrico en el punto R₅ de la Fig. 1a. Los resultados demuestran que la uniformidad de la distribución del campo eléctrico puede mejorarse eficazmente mediante la modulación del campo de carga E_Qi(r) en la terminal. Así, la capacidad de tensión de bloqueo y la fiabilidad del dispositivo podrían mejorarse.

El tamaño del área terminal afecta directamente la eficiencia de utilización del chip. En estado de bloqueo, el campo de potencial aplicado se agrupa alrededor de la periferia de la unión principal. La región JTE1 cerca de la unión principal necesita introducir más cargas para mejorar el efecto de modulación del campo de carga (E_q). Por tanto, L₁ debe ser más larga que L₂. Cuando la proporción de L₁ a L₂ se fija en 3:2, se analizan comparativamente las capacidades de bloqueo de diferentes longitudes L en la terminal en la Fig. 5.

Las distribuciones correspondientes del campo eléctrico se muestran en la Fig. 6. El área a gran escala del CFM‑JTE favorece el aumento de la carga requerida Q_i y da pleno juego al efecto de modulación de E_Qi(r), obteniendo una mayor ventana de tolerancia de dosis de implantación (TW). Cuando la longitud L del CFM‑JTE se establece en 300 μm, 350 μm, 400 μm y 450 μm, el rango TW aumenta secuencialmente, correspondiendo a 3 × 10¹² cm⁻², 3,2 × 10¹² cm⁻², 4,4 × 10¹² cm⁻² y 4,7 × 10¹² cm⁻² en rango, con la condición de que BV sea superior a 12 kV. Es más apropiado seleccionar una longitud terminal L de 400 μm en este trabajo basado en la compensación entre tamaño terminal, ventana de tolerancia de dosis JTE, modulación de campo eléctrico terminal y capacidad de tensión de ruptura.

La existencia de estados superficiales debe considerarse en la fabricación real del rectificador PiN de 4H‑SiC. Estos estados superficiales derivan de huecos atrapados en estados de interfaz profundos, cargas fijas de óxido de la interfaz P‑SiC (incluyendo capa P⁺⁺ y región P‑JTE)/SiO₂ y el proceso de implementación [15–18]. Para la terminación CFM‑JTE, la modulación del campo eléctrico en las interfaces S₁ y S₂ por cargas positivas de interfaz (Q_it), cargas efectivas (Q_j) y potencial aplicado en dirección vertical se analiza en la Fig. 7.

Las cargas positivas de interfaz (Q_it) generan un campo de carga opuesto (E_Qity) comparado con el campo de potencial aplicado (E_py), ayudando a mitigar la intensidad del campo eléctrico en la dirección de la interfaz vertical. La figura 8 muestra las distribuciones del campo eléctrico en la interfaz SiO₂/SiC S₁ bajo condiciones de diferentes Q_it.

En cuanto al análisis de modulación de campo de carga en la interfaz S₂, E_Qity es opuesto a la dirección vectorial de E_py y E_Qjy. La existencia de Q_it ayuda a reducir el campo eléctrico en S₂. Considerando la existencia de la carga de interfaz (Q_it), se requiere una mayor carga efectiva de ionización Q_j para contrarrestar la intensidad del campo eléctrico generada por Q_it. Consecuentemente, cuando la cantidad de Q_it aumenta, la concentración óptima de dosis de implantación del JTE debería mejorarse simultáneamente para mantener la misma capacidad de bloqueo. Como se muestra en la Fig. 9, la curva general BV‑Dosis se desplaza en dirección ascendente con el aumento de Q_it.

Resultados y discusión

El rectificador PiN CFM‑JTE de 4H‑SiC propuesto se ha fabricado en una oblea tipo N de 4 pulgadas con 4° off‑axis (0001). La oblea se crece mediante epitaxia con cuatro capas (N⁺, N⁻, P⁺, P⁺⁺) correspondientes a concentraciones de 1 × 10¹⁸ cm⁻³, 5 × 10¹⁴ cm⁻³, 1 × 10¹⁸ cm⁻³ y 5 × 10¹⁹ cm⁻³. El flujo principal del proceso de fabricación del CFM‑JTE se muestra en la Fig. 10. La capa P⁺⁺ se crece mediante epitaxia para obtener dopaje uniforme y alto que promueva la calidad del contacto óhmico entre SiC y metal del ánodo. La estructura de grabado de meseta se forma en la instalación ICP‑RIE mediante la máscara de grabado de meseta. El gas de grabado se compone principalmente de SF₆ y oxígeno. Se implementan múltiples implantaciones de iones de aluminio a una energía máxima de 500 keV para formar la estructura CFM‑JTE. Se aplica una implantación de iones de aluminio en dos pasos para formar las cinco zonas dopadas decrecientes. JTE1 y zonas R₂‑R₃ se forman mediante la primera máscara de implantación. JTE2, R₁‑R₂, R₃‑R₄, R₄‑R₅ y R₅‑R₆ se configuran simultáneamente mediante la implantación de iones de aluminio a través de la segunda máscara de implantación. Como es sabido, la tasa de activación iónica en carburo de silicio no es alta después de implantación con iones de alta energía, acompañada de daño severo en la red. Para mejorar esta situación indeseable, las implantaciones de iones de aluminio se realizan a una temperatura de 500 °C mediante una máscara de óxido. El recocido post‑implantación se ha realizado en ambiente de argón a 1800 °C durante 10 min con una tapa de carbono para reparar el daño causado por la implantación de iones de alta energía y mejorar la precisión de la concentración de dopaje aumentando la tasa de activación iónica efectiva. El contacto óhmico tipo P‑SiC se forma usando Al/Ti. El proceso RTA se lleva a cabo consistentemente e inspecciona durante dos minutos en entorno de gas nitrógeno inerte a 1000 °C. Se depositan capas de pasivación de alta calidad (capa de SiO₂, película de Si₃N₄ y capa gruesa de poliamida) para prevenir fugas superficiales y evitar chispas en aire [5]. El rectificador PiN CFM‑JTE cubre un área activa de hasta 0,1 cm². El proceso de fabricación es consistente con el rectificador PiN convencional de JTE de dos zonas de 4H‑SiC, sin máscaras adicionales ni pasos de proceso, lo que es extremadamente favorable para reducir la complejidad y el coste de fabricación.

Las características directas del rectificador PiN CFM‑JTE fabricado se prueban en la oblea usando el instrumento CS‑3200 Curve Tracer. El rectificador PiN CFM‑JTE fabricado exhibe una gran capacidad de conducción de corriente directa sin tecnología de mejora de vida media de portadores. La corriente directa se mide hasta 100 A correspondiente a una tensión directa de 5,2 V, como se muestra en la Fig. 11. La resistencia diferencial en encendido del rectificador propuesto se mide en 3,1 mΩ cm² a temperatura ambiente, correspondiente a una tensión directa de 3,6 V. Las características de conducción directa a diferentes temperaturas también se ilustran en el recuadro de la Fig. 11. La curva I‑V muestra peculiaridad de coeficiente de temperatura negativo. Esto se debe a que a medida que la temperatura sube, la movilidad del material disminuye, mientras que la banda prohibida más estrecha del material SiC reduce el potencial auto‑construido de la unión P‑N, y la vida media de los portadores de la región de deriva se extiende con el aumento de temperatura, lo que conduce a un aumento de la densidad de corriente. La tensión de encendido medida se define a una densidad de corriente directa de 10 A·cm⁻². Disminuye gradualmente de 3,14 a 3,04 V cuando la temperatura ambiente sube de 25 a 150 °C. El desplazamiento máximo de la tensión de encendido directa se ha mantenido en un rango del 3 %, correspondiente a un valor de 0,1 V, lo que exhibe una estabilidad térmica mucho mejor que el PiN de Si.

Los rectificadores PiN de 4H‑SiC con CFM‑JTE, ORA‑JTE y TZ‑JTE convencional se fabrican en la oblea de 4 pulgadas, y sus efectos de protección terminal se muestran en la Fig. 12. Las mediciones de tensión de ruptura inversa se ejecutan sumergidas en aceite Fluorinert para evitar arco en aire. En mediciones experimentales con dosis de JTE1 de 1,2 × 10¹³ cm⁻², los rectificadores PiN con ORA‑JTE y TZ‑JTE convencional obtienen capacidades de bloqueo de 12,5 kV y 9,6 kV, respectivamente, con la misma longitud terminal de 400 μm.

Muestras de múltiples lotes de rectificadores PiN CFM‑JTE pudieron obtener repetidamente una tensión de ruptura de 13,5 kV a una corriente de fuga de 10 μA. La tensión de bloqueo experimental alcanza hasta el 96 % del valor teórico de ruptura, lo que indica que el CFM‑JTE tiene una mayor eficiencia de protección terminal. Se ha logrado una tensión de soporte de más de 130 V/μm en la capa de deriva de 100 μm del rectificador PiN de 4H‑SiC. La figura de mérito de Baliga (BFOM = BV²/R_on,sp) alcanza 58,8 GW/cm² a temperatura ambiente. Se han fabricado PiN CFM‑JTE con diferentes dosis de implantación de JTE1. Los valores experimentales y simulados de la tensión de ruptura se representan en la Fig. 12b. Los valores experimentales concuerdan con la tendencia de simulación y confirman que la estructura CFM‑JTE puede ampliar eficazmente la ventana de tolerancia de dosis del JTE. La Tabla 2 compara las características de los rectificadores de 4H‑SiC de ultra‑alta tensión reportados recientemente. El rectificador de 4H‑SiC CFM‑JTE fabricado en este trabajo muestra un excelente rendimiento en los aspectos de capacidad de bloqueo de ultra‑alta tensión, capacidad de conducción de corriente directa ultra‑alta y alta eficiencia de terminación.

Conclusiones

En este trabajo, el rectificador PiN CFM‑JTE de 4H‑SiC se ha diseñado y fabricado con éxito. La tensión de ruptura experimental del PiN CFM‑JTE es de 13,5 kV, correspondiente al 96 % del valor teórico de bloqueo. El CFM‑JTE exhibe una eficiencia de protección terminal muy mejorada comparada con el ORA‑JTE (BV = 12,5 kV, eficiencia de protección hasta 88 %) y el TZ‑JTE convencional (BV = 9,6 kV, eficiencia de protección hasta 68 %). El rectificador PiN CFM‑JTE alcanza una gran corriente directa de 100 A @ V_F = 5,2 V sin usar tecnología de mejora de vida media de portadores y exhibe características I‑V directas estables a diversas temperaturas. La figura de mérito de Baliga para el rectificador PiN CFM‑JTE alcanza 58,8 GW/cm² a temperatura ambiente. La tolerancia de la ventana de dosis de implantación para CFM‑JTE se amplía basándose en la modulación del campo eléctrico de carga, aproximadamente 2,8 veces la del TZ‑JTE convencional y 1,4 veces la del ORA‑JTE, mostrando mucha mejor robustez ante variaciones de proceso. Además, el proceso de fabricación para CFM‑JTE es consistente con el proceso convencional de JTE TZ sin aumentar el número de procesos o máscaras excepcionalmente complejos, lo que demuestra que el CFM‑JTE es óptimo para aplicaciones de ultra‑alta potencia con eficiencia terminal satisfactoria y tolerancia de proceso.

Disponibilidad de datos y materiales

Todos los datos están disponibles sin restricciones.

Abreviaturas

SiC:

Carburo de silicio

JTE:

Extensión de terminación de unión

CFM:

Campo de carga modulado

TZ‑JTE:

Extensión de terminación de unión de dos zonas

FLR:

Anillo limitador de campo

MZ‑JTE:

Extensión de terminación de unión de múltiples zonas

CD‑JTE:

Extensión de terminación de unión de dopaje compensado

Ti:

Titanio

Al:

Aluminio

E_c:

Banda de conducción de energía

V_F:

Tensión directa

ORA‑JTE:

Extensión de terminación de unión asistida por anillo exterior

E_q:

Campo eléctrico de carga

E_p:

Campo de potencial aplicado

Q_i:

Carga efectiva

VLD:

Dopaje lateral variado

w_r:

Ancho de anillo

2D:

Bidimensional

BV:

Tensión de ruptura

TW:

Ventana de tolerancia

Q_it:

Carga de interfaz

Q_j:

Carga efectiva de ionización

RTA:

Recocido térmico rápido

R_on,sp:

Resistencia específica en encendido

BFOM:

Figura de mérito de Baliga