Towards Higher Voltages : Optimization of 4H-SiC Devices

QC 20240522

Abstract

Komponenter av kiselkarbid (4H-SiC) börjar användas i allt större omfattning inom kraftelektronik på grund av materialets stora bandgap och höga termiska ledningsförmåga. Högspända Schottkydioder och MOSFETar har varit kommersiellt tillgängliga sedan mer än 10 år. Mycket av ansträngningarna som görs för dessa 1-3 kV-komponenter handlar idag om att förbättra tillförlitligheten och minska produktionskostnaderna. Denna avhandling fokuserar på tre viktiga utmaningar för nästa generations 4H-SiC-komponenter för ännu högre spänningar och strömmar: i) att uppnå materialets ideala genombrottsspänning under backspänning av komponenter genom att införa en ny typ av termineringsstruktur, ii) optimera balansen mellan ledförluster och switch-förluster för bipolära komponenter genom lokal kontroll av laddningsbärarnas livstid, samt iii) testning av strålningshärdighet för MOSFET-komponenter och ökad förståelse av förstörelsemekanismen vid så kallade ”singel event breakdowns” (SEB).

Avhandlingen inleds med en introduktion varefter det experimentella arbetet och metodologin för livstidskontroll och tester av strålningshärdighet beskrivs (kapitel 2). Den teoretiska basen och de fysikaliska modellerna för 4H-SiC diskuteras i kapitel 3. Resultaten som genererats i projektet sammanfattas i tre följande kapitel, där kapitel 4 behandlar status för termineringar. Olika strukturer utvärderas med avseende på tillförlitlighet och tillverkning. En begravd terminering (buried junction termination extension, buried-JTE), där implanterade JTE-zoner begravs under ett tunt fältupptagande lager, föreslås och simuleringar av denna struktur visar att den ger homogen och låg fältstyrka vid ytan mellan kiselkarbiden och den passiverande oxiden. Simuleringarna visar också att det är möjligt att minska effektiva ytan för termineringen och även reducera effekterna av ytladdningar. I kapitel 5 beskrivs en process för kontroll av livstiden för bipolära komponenter genom implantering med protoner. Genom att även kontrollera dos och energi vid protonimplantation kan laddningsbärarnas livstid i komponenten skräddarsys för olika komponenttyper. Metoden har testats genom mätningar av återhämtad laddning på 10 kV PiN-dioder och även genom simuleringar, där data från DLTS-mätningar (”deep level transient spectroscopy”) ger möjlighet att simulera släck- och återhämtningsförloppet. I kapitel 6 redogörs för ett experiment med låga doser av alfapartiklar som används för att bestråla 3.3 kV 4H-SiC MOSFET-komponenter för att inducera SEB. Tröskelspänning för SEB, liksom gate-parametrar och läckströmmar registreras före och efter varje exponering. Förloppet vid genombrott har också simulerats med en modell av en MOSFET-cell, vilket fungerar för tyngre joner men inte för alfapartiklar. Varför simuleringarna inte kan reproducera de experimentella resultaten, samt olika möjligheter för vidare forskning diskuteras i det sista kapitlet.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-346680