WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 8 УДК 621.315.592 Мощные биполярные приборы на основе карбида кремния Об з о р † © П.А. Иванов¶, М.Е. Левинштейн, Т.Т. Мнацаканов, J.W. Palmour, A.K. Agarwal† Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Всесоюзный электротехнический институт им. В.И. Ленина, 111250 Москва, Россия † Cree Inc., 27703 Durham NC, USA (Получен 1 декабря 2004 г. Принят к печати 29 декабря 2004 г.) Рассмотрены высоковольтные биполярные приборы на основе 4H-SiC — выпрямительные диоды, биполярные транзисторы и тиристоры. Приводятся результаты экспериментальных и теоретических исследований статических и динамических характеристик приборов. Проанализированы особенности их работы, обусловленные специфическими электронными свойствами карбида кремния и p-n-структур на его основе.

1. Введение За последние пять лет был достигнут большой прогресс в создании, на лабораторном уровне, мощных В настоящее время освоение широкозонных матери- инжекционных приборов на основе SiC. Базовым элеалов: карбида кремния SiC и нитридов III-й группы — ментом любого мощного биполярного полупроводникостановится одним из главных направлений развития вого прибора является p-n-переход, способный модусовременной полупроводниковой электроники. Уникаль- лировать область блокирующей базы инжектированныные свойства SiC: большая ширина запрещенной зоны ми неравновесными носителями заряда (ННЗ). В SiC (3-3.3 эВ для различных политипных форм), чрезвыp-n-структурах долгое время не удавалось создавать чайно высокое критическое поле лавинного пробоя высокую концентрацию ННЗ по причине малого вре(2-5 МВ/см), теплопроводность (3-5Вт/смK), превосмени их жизни, порядка 1 нс. Некоторое время даже ходящая при комнатной температуре теплопроводность считалось, что в карбиде кремния времена жизни ННЗ меди, — делают карбид кремния одним из наиболее принципиально не могут быть большими из-за высоперспективных материалов для высокотемпературной, кой концентрации (на уровне 1020 см-3 и даже выше) радиационно стойкой, мощной и быстродействующей стехиометрических дефектов в виде избытка кремния.

электроники. Несмотря на технологические проблемы, Однако эти опасения оказались напрасными, и проблема которые обусловлены исключительной термостабильноувеличения времени жизни была успешно решена с стью, механической прочностью и химической инертпомощью CVD-эпитаксии. К концу 90-x годов на основе ностью SiC, в начале 90-х годов в технологии карбида 4H-SiC были изготовлены мощные диоды, тиристоры и кремния был достигнут своего рода прорыв, который до биполярные транзисторы, способные блокировать напрянастоящего времени обеспечивает ее устойчивый прожение в несколько киловольт и пропускать прямой ток гресс. Безусловно, одним из важнейших достижений топлотностью до 104-105 А/см2. Высоковольтные бипого времени следует считать развитие газовой эпитаксии лярные SiC-приборы продемонстрировали существенные SiC (chemical vapor deposition — CVD [1,2]). С испольпреимущества по сравнению с аналогичными кремнизованием CVD-материала продемонстрированы пракевыми и арсенидгаллиевыми: меньшие прямые падетически все классические электропреобразовательные ния напряжения при больших плотностях тока, бополупроводниковые приборы: диоды Шоттки, диоды с лее высокие рабочие температуры и более высокое p-n-переходом, полевые транзисторы с p-n-переходом, быстродействие [3–6]. Эти успехи позволили начать МОП транзисторы, биполярные транзисторы, выключасистематические исследования электронных процессов емые тиристоры, СВЧ приборы — полевые транзистов высоковольтных биполярных 4H-SiC приборах. В данры с затвором Шоттки (MESFETs), лавинно-пролетные ном обзоре обобщены результаты таких исследований и диоды. Многие фирмы в мире приступили к созданию рассмотрены некоторые особенности их работы, котопромышленной основы для карбидкремниевой электрорые обусловлены специфическими свойствами карбида ники. В результате на рынок уже начали выходить перкремния: большой шириной запрещенной зоны, высокивые коммерческие SiC приборы — мощные ключевые ми значениями критического поля лавинного пробоя и диоды Шоттки и высокотемпературные MESFETs СВЧ насыщенной скорости дрейфа электронов, сильной темдиапазона.

пературной зависимостью времени жизни ННЗ, непол¶ E-mail: Pavel.Ivanov@mail.ioffe.ru ной ионизацией акцепторных примесей при комнатной 1 898 П.А. Иванов, М.Е. Левинштейн, Т.Т. Мнацаканов, J.W. Palmour, A.K. Agarwal Таблица 1. Параметры структуры 6-кВ, 10-кВ и 20-кВ 4H-SiC в качестве примера показаны прямые вольт-амперные p+-n0-n+-диодов характеристики (ВАХ) 6-кВ диода, измеренные при температурах 297 и 537 K в диапазоне плотностей прямого Концентрация доноров Толщина тока j = 10-7-1А/см2. В указанном интервале плотf в базе, см-3 базы, мкм ностей тока ВАХ хорошо аппроксимируются суммой рекомбинационного ( jrec) и диффузионного ( jdi f f ) токов 6-кВ 1 · 1015 с учетом омического падения напряжения на базе диода 10-кВ 3 · 1014 20-кВ 3 · 1014 200 ( j rb, где rb — сопротивление базы):

f j = jrec + jdi f f f температуре, большой разницей в подвижностях элек- = jor exp(qVpn/2kT) + jod exp(qVpn/kT), (1) тронов и дырок, эффективным электронно-дырочным V = Vpn + j rb.

рассеянием носителей при больших плотностях прямого f тока и др. Рассмотренные в обзоре экспериментальные Обратный ток в исследованных 4H-SiC диодах при исследования в основном касаются приборов, разрабокомнатной температуре настолько мал, что находится танных фирмой Cree Inc. (США) — мирового лидера за пределами чувствительности измерительной аппарав области SiC-электроники. Разработанные в Cree SiCтуры. Заметный обратный ток появляется лишь при технологии позволяют изготавливать высококачествентемпературах свыше 600 K. На рис. 2 показана обратная ные многослойные меза-эпитаксиальные p-n-структуры.

Концентрация как донорных (азот), так и акцепторных (алюминий) примесей в эпитаксиальных слоях может варьироваться в широких пределах от 1013 до 1019 см-3, а толщины слоев — в пределах от 0.1 до 200 мкм.

Для изготовления биполярных приборов используется в основном 4H-политип карбида кремния, который обладает рядом преимуществ по сравнению с другими политипами: высокой и почти изотропной подвижностью основных носителей, относительно небольшими величинами энергии активации легирующих примесей. Кроме того, технология этого политипа в настоящее время отработана лучше, чем для других SiC-политипов.

2. Диоды В данном разделе приводятся результаты исследоваРис. 1. Прямые ВАХ 6-кВ диода при низких плотностях тока.

ний статических и динамических характеристик выпряT = 297 K: jor = 2.3 · 10-24 А/см2, jod = 1.5 · 10-45 А/см2, мительных 4H-SiC p+-n0-n+-диодов, рассчитанных на rb = 7.4 · 10-2 Ом · см2, T = 537 K: jor = 1 · 10-11 А/см2, обратное напряжение 6, 10 и 20 кВ [7–13] и обозначаеjod = 3 · 10-21 А/см2, rb = 1.7 · 10-1 Ом · см2.

мых далее как 6-кВ, 10-кВ и 20-кВ диоды. Концентрация примесей в сильно легированных эмиттерных областях составляет 1019 см-3, уровень легирования и толщина базы n-типа определяются максимальным блокируемым напряжением (см. табл. 1).

2.1. Вольт-амперные характеристики при малых плотностях тока В исследованных 4H-SiC диодах при малых плотностях тока основную роль играют генерация и рекомбинация носителей в области пространственного заряда (ОПЗ) p-n-перехода и их диффузионный перенос через базу. Аналогичные результаты были получены в работах [14,15]. В диодах практически отсутствуют „избыточные“ токи, связанные с различного рода неоднородностями структуры и обусловленные, например, механизмами полевого и термополевого туннелирования. На рис. 1 Рис. 2. Обратная ВАХ 6-кВ диода при T = 685 K.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Мощные биполярные приборы на основе карбида кремния ВАХ 6-кВ диода, измеренная при температуре 685 K.

Как видно из этого рисунка, jr (Vbi + V )1/2 (Vbi — контактная разность потенциалов p-n-перехода). Таким образом, обратный ток обусловлен термической генерацией носителей в ОПЗ p-n-перехода.

2.2. Модуляция базы при высоких уровнях инжекции На рис. 3 показаны импульсные квазистатические ВАХ 6-кВ, 10-кВ и 20-кВ диодов, измеренные при средних и высоких плотностях прямого тока. Как нетрудно убедиться, в 6-кВ и 10-кВ диодах реализуется достаточно глубокая модуляция базы инжектированными носителями. Так, например, при плотности Рис. 4. Осциллограммы тока и напряжения при включении прямого тока 180 А/см2 дифференциальное сопротивле6-кВ диода. T = 293 K. Пунктиром показан результат расчета ние 10-кВ диода rd = dV /dj = 1.6 · 10-2 Ом · см2, в то f V (t) по программе „Исследование“.

время как омическое сопротивление немодулированной базы rb = W /qµnn0 = 0.39 Ом · см2 (µn = 800 см2/Вс, n0 = 3 · 1014 см-3), т. е. в 24 раза больше измеренного дифференциального сопротивления. Для 6-кВ ди- тока имеет „индуктивный“ характер, что свидетельствуода омическое сопротивление немодулированной ба- ет о накоплении в базе высокой концентрации ННЗ. На зы rb = 6.5 · 10-2 Ом · см2 в 16 раз больше, чем зависимости V (t) вначале наблюдается всплеск напряжеrd = 4.1 · 10-3 Ом · cм2. Такая ситуация свидетельствует ния, амплитуда которого определяется сопротивлением о достаточно больших величинах коэффициента инжек- немодулированной базы, а затем, по мере накопления ции эмиттера и времени жизни ННЗ в базе диодов. ННЗ в базе напряжение падает до стационарного знаС целью определения времени жизни ННЗ изучались чения, определяемого сопротивлением модулированной переходные процессы в диодах: установление прямого базы. Время установления стационарного состояния (по падения напряжения при пропускании ступеньки пря- порядку величины оно сравнимо с временем жизни мого тока, спад послеинжекционной эдс после обрыва ННЗ [18]) составляет около 0.6 мкс.

тока (Госсик [16]), восстановление блокирующей спо- На рис. 5 показаны осциллограммы спада напряжения собности диодов после их переключения из проводящего на 10-кВ диоде после обрыва прямого тока, измеренные состояния в блокирующее (Лэкс [17]).

при температурах 293 и 514 K. На осциллограммах видны три фазы спада напряжения: 1) резкий скачок напряжения, равный по величине стационарному па2.3. Время жизни ННЗ: включение диодов дению напряжения на базе при прохождении прямого и спад послеинжекционной эдс тока, 2) линейное с течением времени падение послеНа рис. 4 показана осциллограмма напряжения на инжекционной эдс за счет рекомбинации избыточных 6-кВ диоде при пропускании прямого тока, быстро на- носителей в базе и 3) нелинейный спад напряжения растающего от нуля до 5 A. Реакция диода на ступеньку после исчезновения ННЗ в базе — разряд барьерной емкости p-n-перехода.

На линейном участке скорость спада эдс ( V / t) обратно пропорциональна времени жизни инжектированных в базу ННЗ [19]:

V 2kT = -, (2) t q где kT — тепловая энергия. При комнатной температуре рассчитанная таким способом величина составляет 0.6 мкс для 6-кВ диода и 1.55 мкс для 10-кВ и 20-кВ диодов. Принимая подвижность дырок в базе µp = 117 см2/В · c, подвижность электронов µn = = 880 см2/В · c, получим, что амбиполярный коэффициент диффузии Da = 2(kT/q)[µnµp/(µn + µp)] = 5.3см2/с.

Амбиполярная диффузионная длина ННЗ в базе, Рис. 3. Импульсные квазистатические прямые ВАХ 6-кВ, La =(Da )1/2, составляет 17.9 мкм для 6-кВ диода 10-кВ и 20-кВ диодов. T = 293 K.

1 Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 900 П.А. Иванов, М.Е. Левинштейн, Т.Т. Мнацаканов, J.W. Palmour, A.K. Agarwal прямого направления на обратное. В случае 6-кВ диода лэксовская „полочка“ — фаза протекания постоянного обратного тока — практически отсутствует, а в случае 10-кВ диода она хотя и проявляется, но ее длительность меньше той, которую можно было бы ожидать, исходя из времени жизни ННЗ, равного 1.55 мкс. Общей и наиболее вероятной причиной такого „аномального“ поведения диодов является очень малое время жизни ННЗ в сильно легированном p+-эмиттере, т. е. сравнительно невысокий коэффициент инжекции эмиттера.

Рис. 5. Осциллограммы, показывающие спад послеинжекционной эдс 10-кВ диода после резкого обрыва тока. Точками показаны результаты расчета по программе „Исследование“.

и 28.7 мкм для 10-кВ и 20-кВ диодов. Такие диффузионные длины действительно могут обеспечивать достаточно глубокую модуляцию базы в случае 6-кВ и 10-кВ диодов (отношение толщины базы к диффузионной длине ННЗ W /La = 2.8 и 5.2 соответственно). Однако для глубокой модуляции 200-мкм базы 20-кВ диода этого явно недостаточно (W /La = 7.0). Следует однако заметить, что с ростом температуры время жизни ННЗ во всех диодах возрастает в несколько раз (см. рис. 5), что приводит к уменьшению падения напряжения, несмотря на падение подвижности носителей тока.

2.4. Время жизни ННЗ: восстановление блокирующей способности диодов после их переключения из проводящего состояния в блокирующее В 4H-SiC диодах лэксовские измерения дают, как правило, существенно меньшие времена жизни ННЗ по сравнению с теми результатами, которые дает метод Рис. 6. Осциллограммы тока во время переключения 6-кВ (a) Госсика [20–22]. На рис. 6 показаны осциллограммы и 10-кВ (b, c) диодов с прямого направления на обратное. Точтока во время переключения 6-кВ и 10-кВ диодов с ками показан результат расчета по программе „Исследование“.

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Мощные биполярные приборы на основе карбида кремния Наблюдаемые отличия в характере поведения 6-кВ и 10-кВ диодов объясняются следующим образом. Мы полагаем, что в 6-кВ диоде в тонком слое базы, примыкающем к переходу, время жизни так же мало, как и в эмиттере. Образование такого слоя может быть вызвано тем, что высокотемпературное эпитаксиальное наращивание сильно легированного p-слоя приводит к росту общего числа дефектов у границы раздела из-за рассогласования параметров решеток сильно легированного и нелегированного слоев и возникающих при этом термических напряжений, а также вследствие диффузии примесных атомов Al и самодиффузии. Присутствие такой „нарушенной“ области в части базы, примыкающей к p-n-переходу, приводит к тому, что после Рис. 7. Прямые ВАХ 10-кВ диода: экспериментальные (точпереключения диода с прямого направления на обратное ки), рассчитанные в предположении об „идеализированном“ ОПЗ начинает быстро восстанавливаться (время восэмиттере (пунктирные линии) и рассчитанные с учетом пристановления блокирующей способности регулируется сутствия нарушенного слоя в эмиттере (сплошные линии).

величиной времени жизни ННЗ в нарушенном слое), так что фазы протекания постоянного обратного тока практически нет.

нами с успехом были смоделированы как статические, В 10-кВ диоде, как мы полагаем, область с матак и динамические характеристики 4H-SiC диодов и лым временем жизни несколько отодвинута от гранитиристоров.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.