MOS против подложки SiC класса SBD
Карбид кремния (SiC), как типичный полупроводниковый материал третьего поколения, обладает исключительными свойствами, включая широкую запрещенную зону (3,26 эВ для 4H-SiC), высокое критическое электрическое поле пробоя (~ 2,5 МВ/см) и высокую теплопроводность (4,9 Вт/см·К), что делает его уникальным преимуществом в высоковольтной, высокочастотной и высокотемпературной силовой электронике. Однако производительность и надежность силовых устройств SiC во многом определяются кристаллическим качеством материала подложки.
Коммерческие 6-дюймовые подложки 4H-SiC N-типа обычно подразделяются на классы P-MOS и P-SBD. Обе марки имеют одинаковое удельное сопротивление и политип, но существенно различаются по стандартам контроля дефектов: спецификации для марки MOS одинаково более строгие, чем для марки SBD. Является ли эта разница подлинным преимуществом качества или просто отражением различий в критериях тестирования? Для исследователей выяснение физического обоснования является необходимым условием для правильного выбора субстрата.
В этой статье представлен систематический профессиональный анализ для ученых-исследователей по трем направлениям: количественные характеристики дефектов, механизмы, с помощью которых дефекты влияют на производительность устройств, и отраслевые реалии.
1. Сравнение характеристик: ключевые показатели качества подложек SiC класса MOS и SBD.
Различия между подложками марок P‑MOS и P‑SBD не обнаружены по основным параметрам, таким как политип или удельное сопротивление — обе относятся к политипу 4H с удельным сопротивлением в диапазоне 0,015–0,025 Ом·см. Настоящее различие заключается в контроле плотности различных кристаллических дефектов. В качестве примера возьмем 6-дюймовую подложку SiC:
| Продукт | 6-дюймовая подложка из карбида кремния | |
| класс | P-MOS класса | Марка P-SBD |
| Polytype | 4H | |
| Удельное сопротивление | 0,015–0,025 Ом·см | |
| Плотность микротрубок (MPD) | ≤0,2/см² | ≤0,5/см² |
| Общая плотность дислокаций (EPD) | ≤4000/см² | ≤8000/см² |
| Краевая дислокация резьбы (TED) | ≤3000/см² | ≤6000/см² |
| Базальная плоская дислокация (БПД) | ≤1000/см² | ≤2000/см² |
| Вывих резьбового винта (TSD) | ≤600/см² | ≤1000/см² |
| Зона сбоя штабелирования | ≤0,5% | ≤1% |
Свяжитесь с нашей технической командой для получения индивидуальных решений по выбору:[email protected]
Приведенное выше сравнение ясно показывает, что подложки класса P‑MOS обеспечивают соблюдение стандартов качества в 1,7–2,5 раза более строгие, чем материалы класса P‑SBD по всем ключевым показателям дефектов — микротрубок, дислокаций (EPD/TED/BPD/TSD) и дефектов упаковки. Эти различия не являются произвольным «уровнем», а коренятся в физике устройства: область канала MOSFET чрезвычайно чувствительна к дефектам подложки, что требует подложки, близкой к «нулевому дефекту», тогда как SBD имеют относительно более высокую устойчивость.
2. Почему к МОП-транзисторам предъявляются более высокие требования к качеству подложки SiC?
2.1 Принципиальные различия в конструкции устройства
Несоответствие в устойчивости к дефектам между MOSFET (металлооксидно-полупроводниковыми полевыми транзисторами) и SBD (диодами с барьером Шоттки) обусловлено их принципиально разными принципами работы.
SBD представляет собой двухполюсное устройство, сердцевиной которого является барьер Шоттки, образованный на границе раздела металл-полупроводник. Транспорт тока происходит в основном вблизи перехода металл-полупроводник и относительно нечувствителен к глубоким объемным дефектам подложки. Даже при умеренной плотности дислокаций в подложке, пока они не влияют непосредственно на барьерную область, устройство все равно может адекватно функционировать.
МОП-транзистор, напротив, представляет собой трехконтактное устройство, основная функциональность которого зависит от проводящего канала, расположенного между двумя областями P-ям. По этому каналу проходит весь ток во включенном состоянии, и его целостность напрямую определяет передаточные характеристики МОП-транзистора. Формирование каналов требует точной модуляции концентрации носителей напряжения на затворе на границе раздела SiC/SiO₂, что требует от подложки исключительно высокого кристаллического совершенства и однородности межфазной границы. Любой дефект подложки – особенно дислокации, распространяющиеся через эпислой – может напрямую нарушить распределение электрического поля и свойства переноса носителей внутри области канала.
Рис. 1. Схема поперечного сечения 4H-SiC диода Шоттки (SBD) и (б) МОП-конденсатора (MOSC).
2.2. Особенности влияния различных дефектов на работу МОП-транзистора.
(1) Микротрубки – самый смертельный дефект
Микротрубки представляют собой полые дислокации в кристаллах SiC и являются чрезвычайно опасными дефектами. Исследования уже давно установили, что микротрубки значительно снижают напряжение пробоя устройства благодаря своей полой структуре. Каждая микротрубка может действовать как локальная точка концентрации электрического поля, вызывая преждевременный пробой при смещении напряжения намного ниже расчетного. Для МОП-транзисторов, которые должны выдерживать высокие запирающие напряжения, наличие микротрубок практически неприемлемо. Именно поэтому подложки класса MOS обеспечивают плотность микротрубок менее 0,2/см², а класса SBD — до 0,5/см² — разница, которая может показаться небольшой, но имеет существенное значение для производительности силовых чипов большой площади.
(2) Дислокации – угрозы пробоя напряжения и надежности
Дислокации являются наиболее распространенными кристаллическими дефектами в подложках SiC и в основном включают винтовые дислокации (TSD), краевые дислокации (TED) и дислокации базисной плоскости (BPD). Исследования показывают, что дислокационные дефекты в пластинах SiC создают риск пробоя МОП-транзистора. В МОП-транзисторах дислокации могут создавать дополнительные центры рекомбинации или пути утечки в области канала, что приводит к снижению напряжения пробоя и увеличению тока утечки в закрытом состоянии.
Дислокации базальной плоскости (ДБП) заслуживают особого внимания: они были идентифицированы как основная причина биполярной деградации диодов в корпусе SiC MOSFET. Во время проводимости объемного диода электронно-дырочная рекомбинация вызывает расширение дефектов упаковки из BPD, образуя дефекты упаковки в области дрейфа, что увеличивает прямое падение напряжения на корпусном диоде и сопротивление открытого состояния. Это ухудшение происходит во время длительной эксплуатации устройства и представляет собой одну из наиболее важных проблем надежности SiC MOSFET.
Напротив, SBD менее чувствительны к дислокациям. Хатакеяма и др. сообщили, что если плотность дефектов эпислоя достаточно низка – с плотностью дислокаций порядка 10 000 см⁻² – можно гарантировать долговременную надежность оксида затвора МОП-транзистора в электрическом поле напряженностью 3 МВ/см. Это объясняет, почему подложки класса SBD допускают более высокую плотность дислокаций (EPD ≤8000/см²), в то время как класс MOS требует контроля при ≤4000/см².
Рис. 2. Влияние плотности дефектов слоя SiC на напряженность электрического поля затворного оксида.
(3) Неправильная укладка – прямая угроза качеству эпиляционного слоя
Дефекты упаковки в подложке проникают в эпитаксиальный слой, образуя дефекты полосового слоя (BSF), что напрямую влияет на качество эпитаксиального слоя. Эпитаксиальный слой — это область, где расположены канал МОП-транзистора и область дрейфа, и его качество напрямую определяет электрические характеристики устройства. Подложка уровня MOS контролирует площадь дефекта упаковки до ≤0,5%, а уровень SBD снижает ее до ≤1%.
Чу и др. (2022) также предоставили экспериментальные доказательства на уровне устройства: используя простую структуру SBD для оценки качества эпитаксиальных слоев, было обнаружено, что потеря текучести SBD эпитаксиальных слоев на пластинах с высокой плотностью дефектов достигала 45%, в то время как у образцов с низким уровнем дефектов она составляла только 17%, и между ними были значительные различия в распределении тока утечки; Однако потеря выхода МОП-конденсаторов существенно не коррелирует с плотностью дефектов и не подходит для оценки качества подложки.
Рис. 3. Кумулятивные распределения обратного тока утечки для эпитаксиальных SBD при различных обратных смещениях: (а) –5В, (б) –10В, (в) –15В, (г) –20В
Для разработчиков устройств на основе карбида кремния понимание этой физической логики имеет решающее значение: выбор подложки заключается не просто в выборе «лучше» или «дешевле» — речь идет о точном соответствии, основанном на структуре устройства и целях эксперимента.
Если вам нужны подложки SiC для исследований или промышленного применения, свяжитесь с нами по электронной почте:[email protected] и [email protected].
Ссылки:
- Фукуда К., Киносита А., Охьянаги Т., Косуги Р., Саката Т., Сакума Ю.,… и Араи К. (2010, июль). Влияние обработки и дефектов материала на электрические характеристики SiC-SBD и SiC-MOSFET. На форуме материаловедения (т. 645, стр. 655-660). Транс Тех Публикации Лтд.
- Чу, KW, Ценг, CW, Цуй, BY, Ву, YCS, Ян, CJ и Сюй, C. (март 2022 г.). Оценка качества контроля эпитаксиального слоя и сильнолегированной подложки 4H-SiC с помощью простого барьерного диода Шоттки и МОП-конденсатора. В 2022 году пройдет 34-я Международная конференция IEEE по микроэлектронным испытательным структурам (ICMTS) (стр. 1-4). IEEE.