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减少在4H-SiC键合衬底上制造的PiN二极管的正向偏压退化
2023-09-19
▣ 什么是4H-SiC键合衬底？
结构
• 采用直接晶片键合技术，将两种不同类型的碳化硅叠加在一起的衬底
特征
• 键合界面无不稳定中间层→ 可适用各种SiC高温工艺
• 极薄（亚微米级）的单晶 4H-SiC 层→ 最大限度地减少高质量单晶 4H-SiC 部分的体积
特色优势
• 其独特的结构有望带来一些传统4H-SiC块状衬底无法实现的优势。
成果（2020年在日本发表）
• 降低4H-SiC PiN 二极管的导通电阻
• 无需热退火工艺即可形成背面欧姆接触
成果（2022年在瑞士发表）
• “减少 4H-SiC PiN 二极管的正向偏压退化”
▣ 4H-SiC 双极器件中的正向偏压退化
现象
• 正向电压（Vf）随通过 pn 结的正向电流应力而增加
原因
• 由于电子-空穴对复合引起的基面位错 (BPD) 导致肖克利型堆垛层错 (SSF) 扩展
▣ 实验（实验过程）
• PiN 二极管的正向电流应力测试
• 正向电流应力条件
• 正向电压偏移 (ΔVf) 的定义
▣ 结果与讨论
正向电流应力测试和PL成像
• 两种衬底的正向电流应力导致的 ΔVf 变化
• ΔVf 与 SSF 总面积之间的关系图
ΔVf 反映了扩展 SSF 的总面积，这取决于体衬底中的正向电流应力。
对条形SSF数量的统计
• 研究具有高正向电流密度的电应力二极管内条形 SSF 的数量
正向电流应力测试和PL成像
• 两种衬底的正向偏压退化差异
• 在高正向电流密度（1000 A/cm2 或更高）条件下
- 块状衬底：一些条形SSF扩展
- 键合衬底：无条形SSF扩展
4H-SiC键合衬底中BPD减少机制的预测
1. 条形SSF的起源
• 在高正向电流密度（1000 A/cm2 或更高）条件下
- 块状衬底：一些 BPD 致条形 SSF 扩展
- 键合衬底：没有 BPD 致条形 SSF 扩展
2. 正向电流密度的“贡献”
• 在外延层/衬底界面下方的亚微米深度处
- 块状衬底：一些 BPD 致条形 SSF 扩展
- 键合衬底：没有 BPD 致条形 SSF 扩展
3. BPD-TED转换点可以移动到外延层/衬底界面下方的原因
• 4H-SiC 键合衬底对于减少4H-SiC双极器件中的正向偏压退化非常有利，特别是在高正向电流应力下。
▣ 总结
本报告展示了使用 4H-SiC 键合衬底减少PiN二极管正向偏压退化的优势。
• PiN 二极管的正向电流应力测试
• 光致发光成像
我们发现，在高正向电流密度（1000 A/cm2 或更高）条件下，条形 SSF 的扩展有明显差异
• 参考之前的一些研究进行预测
预测了4H-SiC键合衬底中与TED滑动相关的BPD减少机制
来源：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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