Электрическая характеризация силовых карбидокремниевых MOSFET с линейным и гексагональным дизайном базовых ячеек

Введение. Силовая электроника на основе 4H-SiC активно развивается за счет достигнутого индустриальными странами высокого уровня промышленной технологии роста объемных кристаллов и эпитаксиальных структур карбида кремния и требует разработки новых конструкций МОП-транзисторов (MOSFET) и диодов Шоттки, совершенствования технологических процессов. Подобные исследования актуальны, востребованы и являются основой для широкого внедрения SiC-приборов в различные области силовой электроники и преобразовательной техники для достижения целевых показателей энергоэффективности.

Цель работы. Исследование и сопоставительный анализ характеристик энергоэффективности лабораторных образцов силовых 4H-SiC-MOSFET c дизайном базовых ячеек линейного и гексагонального типов.

Материалы и методы. На начальном этапе объектами исследования были лабораторные образцы 4H-SiCMOSFET малой площади с двумя типами ячеек, рассчитанные на напряжение до 1200 В. Затем были изготовлены и исследованы лабораторные образцы 4H-SiC-MOSFET с оптимизированными параметрами ячейки линейного типа с большей активной площадью. Транзисторы изготавливались в рамках лабораторного технологического маршрута без использования технологии формирования самосовмещенного канала. Характеризация образцов проводилась методами оптической и растровой электронной микроскопии, электрические параметры и характеристики измерялись на характериографе Keysight B1505A.

Результаты. Сопоставительный анализ ВАХ показывает, что транзисторы с гексагональной топологией ячеек в отличие от структур с линейной топологией характеризуются более высокими значениями коммутируемых токов. При этом максимальная плотность тока J_DS = 125 А/см² не является критической для карбида кремния. Транзисторы с линейной топологией с уменьшенными размерами канала и увеличенной активной областью характеризуются более высокой плотностью тока и меньшим сопротивлением канала в открытом состоянии (R_on).

Заключение. Образцы транзисторов с гексагональной топологией ячеек при равных значениях R_on характеризуются более высокими по отношению к транзисторам с линейной топологией значениями коммутируемых токов, но худшей воспроизводимостью параметров. Лабораторные образцы с оптимизированной линейной топологией ячеек характеризуются в ~4 раза меньшим R_on в сравнении с образцами с малой площадью активной области. Тем не менее выход годных транзисторов составляет менее 10 % по пороговому напряжению (U_th), что требует применения в маршруте их изготовления технологий самосовмещенного канала и литографии высокого разрешения при переходе к серийному производству.

1. Kimoto T., Cooper J. A. Fundamentals of silicon carbide technology: growth, characterization, devices and applications. Singapore: John Wiley & Sons, 2014. 538 p. doi: 10.1002/9781118313534

2. Афанасьев А. В., Ильин В. А., Лучинин В. В. Ионное легирование карбида кремния в технологии приборов силовой электроники. Обзор // Изв. вузов. Электроника. 2022. Т. 27, № 4. С. 439–462. doi: 10.24151/1561-5405-2022-27-4-439-462

3. Östling M. Silicon Carbide Power Devices: Evolution, Applications, and Future Opportunities // IEEE Electron Devices Magazine. 2024. Vol. 2, № 4. P. 30–35. doi: 10.1109/MED.2024.3476162

4. Review and Outlook on GaN and SiC Power Devices: Industrial State-of-the-Art, Applications, and Perspectives / M. Buffolo, D. Favero, A. Marcuzzi, C. De Santi, G. Meneghesso, E. Zanoni, M. Meneghini // IEEE Trans. on Electron Devices. 2024. Vol. 71, № 3. P. 1344–1355. doi: 10.1109/TED.2023.3346369

5. Konrath J. P. Review on Modeling and Mitigation of Bipolar Degradation in 4H-SiC // Power Electronic Devices and Components. 2024. Vol. 7. P. 100062-1–100062-8. doi: 10.1016/j.pedc.2024.100062

6. Sub-nanosecond semiconductor opening switches based on 4H-SiC p+p0n+-diodes / I. V. Grekhov, P. A. Ivanov, D. V. Khristyuk, S. V. Korotkov, T. P. Samsonova, A. O. Konstantinov // Solid-State Electronics. 2003. Vol. 47, № 10. P. 1769–1774. doi: 10.1016/S0038-1101(03)00157-6

7. Superfast drift step recovery diodes (DSRDS) and vacuum field emission diodes based on 4H-SiC / A. V. Afanasyev, B. V. Ivanov, V. A. Ilyin, A. F. KardoSysoev, M. A. Kuznetsova, V. V. Luchinin // Materials Science Forum. 2013. Vol. 740–742. P. 1010–1013. doi: 10.4028/www.scientific.net/MSF.740-742.1010

8. 30 kV pulse diode stack based on 4H-SiC / V. A. Ilyin, A. V. Afanasyev, Yu. A. Demin, B. V. Ivanov, A. F. Kardo-Sysoev, V. V. Luchinin, S. A. Reshanov, A. Schöner, K. A. Sergushichev, A. A. Smirnov // Materials Science Forum. 2018. Vol. 924. P. 841–844. doi: 10.4028/www.scientific.net/MSF.924.841

9. Мегаваттный генератор наносекундных импульсов на основе карбидокремниевых дрейфовых диодов с резким восстановлением / А. В. Афанасьев, Ю. А. Демин, Б. В. Иванов, В. А. Ильин, В. В. Лучинин, К. А. Сергушичев, А. А. Смирнов, А. Ф. Кардо-Сысоев // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2015. № 3. С. 21–24.

10. Пат. 2836475 C1 РФ МПК H10D 8/00. Дрейфовый диод с резким восстановлением обратного сопротивления на основе карбида кремния политипа 4H / А. В. Афанасьев, О. В. Афанасьева, П. В. Афанасьев, В. В. Вересоой, В. А, Ильин, Б. В. Иванов, А. В. Серков, Д. А. Чигирев, С. А. Шевченко. Опубл. 17.03.2025. 11 с.

11. Baliga B. J. Fundamentals of Power Semiconductor Devices. Cham: Springer, 2019. 1086 p. doi: 10.1007/978-3-319-93988-9

12. Müting J., Grossner U. Simulation-Based Sensitivity Analysis of Conduction and Switching Losses for Silicon Carbide Power MOSFETs // Materials Science Forum. 2018. Vol. 924. P. 693–696. doi: 10.4028/www.scientific.net/MSF.924.693

13. Agarwal A., Han K., Baliga B. J. Assessment of Linear, Hexagonal, and Octagonal Cell Topologies for 650 V 4H-SiC Inversion-Channel Planar-Gate Power JBSFETs Fabricated With 27 nm Gate Oxide Thickness // IEEE J.of the Electron Devices Society. 2021. Vol. 9. P. 79−88. doi: 10.1109/JEDS.2020.3040353

14. Отечественная карбидокремниевая электронная компонентная база – силовой SiC МДП-транзистор / А. В. Афанасьев, В. А. Ильин, В. В. Лучинин, А. И. Михайлов, С. А. Решанов, А. Schöner // Нано- и микросистемная техника. 2016. Т. 18, № 5. С. 308−316.

15. Газофазная эпитаксия – ключевая технология силовых МДП-транзисторов на карбиде кремния / А. В. Афанасьев, В. А. Ильин, В. В. Лучинин, А. И. Михайлов // Наноиндустрия. 2018. № 7–8. С. 488–497.

16. О формировании низкоомных контактов для биполярных приборов на основе 4H-SiC / А. В. Афанасьев, В. А. Ильин, В. В. Лучинин, А. В. Серков, Д. А. Чигирев // Физика и техника полупроводников. 2022. Т. 56, вып. 6. С. 607–610. doi: 10.21883/FTP.2022.06.52598.9827

17. Matin M., Saha A., Cooper J. A. A self-aligned process for high-voltage, short-channel vertical DMOSFETs in 4H-SiC // IEEE Transactions on Electron Devices. 2004. Vol. 51, № 10. P. 1721−1725. doi: 10.1109/TED.2004.835622

18. A Channel Self-Alignment process for HighVoltage VDMOSFETs in 4H-SiC / H. Ge, T. Zhu, S. Chang, W. Zhao, X. Bai // J. of Physics: Conf. Series. 2021. Vol. 2083, № 2. P. 022092-1–022092-7. doi: 10.1088/1742-6596/2083/2/022092

19. Stpower Gen3 SiC MOSFETs Ideal for EV. URL: https://www.st.com/resource/en/flyer/flgen3sicev.pdf (дата обращения: 25.05.2025).