表面缺陷对 SiC JBS二极管特性影响研究


1.引言


作为第3代半导体材料，SiC具有许多优良的物理和化学性能，如禁带宽度大、临界电场强度高、热导率高、饱和漂移速度大、抗辐射能力强、热稳定性和化学稳定性好等，是制备大功率、高温、高频和抗辐照器件的理想材料。


2.实验


采用低压热壁化学气相沉积系统进行外延材料生长，衬底为4英寸Si面，偏离(0001)面4°n型4H-SiC单晶，载流子浓度约为10¹⁸cm²³。


生长温度、生长压强和C/Si分别为1580℃,100mbar和1,生长源气体硅烷、丙烷和载气(高纯氢气)的流量分别为42sccm,14sccm和80slm。傅里叶变换红外光谱和C-V汞探针测试结果表明，所制备的外延层厚度约为10μm,掺杂浓度为5×10⁵cm°。


此次研究中4H-SiCJBS二极管的简要工艺流程包括：通过ICP刻蚀工艺形成对准标记，并采用SiO₂作为注入掩膜。


经光刻开窗口后，通过高能离子注入工艺形成源区p*及场限环结构，并在C膜保护下高温激活退火。


阴极溅射Ni金属并通过快速热退火形成欧姆接触，阳极溅射Ti金属并通过快速热退火形成肖特基接触；阴极和阳极分别蒸发Ag和Al形成加厚电极，并在芯片正面淀积SiO₂和聚酰亚胺形成钝化层。


在器件制作时，根据对外延层表面缺陷类型和分布的表征结果，将器件的有源区设置于特定的表面缺陷之上，以研究特定表面缺陷对器件特性的影响。


3.结果和分析


通过B1505A功率器件测试系统对所制作的4H-SiCJBS二极管的反向特性进行测试，研究表面缺陷对器件反向耐压和漏电流的影响。


首先研究了彗星形缺陷对4H-SiCJBS二极管特性的影响。图2为不同区域包含彗星形缺陷的4H-SiCJBS二极管反向I-U特性图，其中I为反向漏电流，U为反向击穿电压。


当4H-SiCJBS二极管金属接触区或场限环区域中含有彗星形缺陷的彗核部分时，器件反向击穿电压低于200V,漏电流高达6mA。


当金属接触区只有彗星形缺陷的尾部存在时，器件的反向击穿电压约为850V,相对较高；同时，当金属接触区只有彗星形缺陷的尾部存在时，器件的漏电流也相对较小，约为10-³mA,且在一定反向偏压范围内，器件漏电流变化较小。


分析认为，上述现象的原因可能是从彗星缺陷尾部流向彗核的漏电流相对较小，且同直接流经彗核的漏电流相比，从彗星缺陷尾部流向彗核的漏电流随反向电压增加地较缓慢。


这也说明在一定反向偏压范围内，虽然漏电流有所增加，但彗星形缺陷尾部的局部电场没有高于临界击穿电场。与此同时，有研究表明，彗星形缺陷与微管缺陷对4H-SiCJBS二极管特性的影响相似，同微管缺陷相比较而言，金属接触区含有彗星形缺陷的器件的反向击穿电压相对较高。


图3为有源区存在胡萝卜缺陷的4H-SiCJBS二极管的反向I-U特性测试结果。从图中可以看出，胡萝卜缺陷对肖特基二极管的反向击穿电压影响不大。


图4为金属接触区存在生长坑的4H-SiCJBS二极管的反向I-U特性测试结果。从图中可以看出，与金属接触区无缺陷的器件相比，生长坑的出现并没有对反向电压造成太大的影响。


图5为金属接触区存在三角形缺陷的4H-SiCJBS二极管的反向I-U特性测试结果。从图中可以看出，金属接触区内含有三角形缺陷的器件不仅反向漏电流较大，反向击穿电压也较低。


与有源区无缺陷器件的特性相比，金属接触区内含有三角形缺陷器件的反向击穿电压降低了约50%,反向漏电流增大了4个数量级。


由上述器件特性测试结果可以看出，三角形缺陷也是对4H-SiCJBS二极管特性影响较大的一种缺陷。


4.结论


在4H-SiC外延材料生长和表面缺陷表征的基础上，通过4H-SiCJBS二极管制作和器件特性测试分析，研究了4种外延层表面缺陷，即彗星形缺陷、胡萝卜缺陷、生长坑和三角形缺陷对4H-SiCJBS二极管反向特性的影响。


结果表明，彗星形缺陷和三角形缺陷会严重影响器件的反向耐压特性。胡萝卜缺陷会造成反向偏压较低时器件漏电流的增大，对器件的击穿电压影响不大。


生长坑对器件的击穿电压和漏电流影响相对较小，是一种相对无害的缺陷。分析认为，表面缺陷的存在所导致的4H-SiCJBS二极管肖特基势垒高度的降低和缺陷处局部电场增大是器件反向漏电流增大和反向耐压下降的主要原因。


因此，在4H-SiC外延材料制备中，应尽量消除三角形缺陷和彗星形缺陷或降低该类型缺陷的密度。该研究成果将为4H-SiC外延缺陷的控制和4H-SiCJBS二极管性能的进一步提高提供基础。