SiC semiconductor devices technology, modeling and simulation

Abstract

WIDE BANDGAP semiconductor, particularly Silicon Carbide (SiC), based electronic devices and circuits are presently being developed for use in high-temperature, high-power, and high-radiation conditions under which conventional semiconductors cannot adequately perform. Silicon carbide’s ability to function under extreme conditions is expected to enable significant improvements to a far-ranging variety of applications andsystems. These range from greatly improved high-voltage switching for energy savings in public electric power distribution and electric motor drives to powerful microwave electronics for radar and communication applications, and to sensors and controls for cleaner-burning more fuel-efficient jet aircraft and automobile engines. Aside from tremendous theoretical advantages yet to be realized in SiC devices, the need for numerical simulation based on accurate models for the design and optimization of these devices is indispensable to further the success of modern power electronics. First the technology of SiC semiconductor devices is briefly outlined. The 3C-SiC, 4H-SiC, 6H-SiC, and 15R-SiC are the most common polytypes presently being developed for device application. These polytypes are characterized by the stacking sequence of the biatom layers of the SiC structure. Changing of the stacking sequence has a profound effect on the electrical properties. Since the hexagonal polytypes are composed of stacked double layers, several electrical properties are different parallel to the c-axis or perpen-dicular to the c-axis. This is called anisotropy, and the degree of anisotropy is measuredby the quotient of a parameter value parallel and perpendicular to the c-axis.Currently only the 4H- and 6H-SiC polytypes are available commercially as substratematerial. Key crystal growth and device fabrication issues that presently limit the performance and capability of high-temperature, high-power and high-frequency 4H- and6H-SiC devices are identified. The differences between SiC device technology and well-known silicon VLSI technology are discussed. Projected performance figure of merits of SiC devices for several large-scale applications are highlighted. A comprehensive and systematic model development based on the recent research findings and published data was performed. Due to the anisotropic nature of the SiC crystal struc-ture, the mobility μ, the dielectric permittivity ε, and the conductivity κ are tensors alongthe crystallographic axes of the semiconductor lattice. These tensors are diagonal with only two independent components parallel and perpendicular to the c-axis, respectively. A tensorial formulation of Poisson’s equation and the current equations are adapted to make it feasible for use in the general-purpose device simulator Minimos-NT applying the same discretization scheme as in the case of conventional current transport equations. The most common doping impurities in 4H- and 6H-SiC have activation energies larger than the thermal energy kBT even at room temperature. Inequivalent sites of SiC, onewith cubic surrounding and the other with hexagonal surrounding, cause site-dependentimpurity levels. Therefore, an appropriate incomplete ionization model which accounts for ionization level dependence on temperature, polytype, and lattice sites is implemented. A variety of other SiC-specific models, including band structure and bandgap narrowing; Shockley-Read-Hall and Auger recombination, temperature- and field-dependent impactionization; and mobility dependencies on impurity concentration, lattice temperature, carrier concentration, carrier energy, parallel and perpendicular electric fields are few among the many models implemented. The models are tested on state-of-the-art SiC rectifiers, switches, and RF transistors. Three classes of SiC rectifiers were investigated. The Schottky barrier diodes which offer extremely high switching speed, but suffer from high leakage current; the PiN diodes which offer low leakage current, but show reverse recovery charge during switching and have a large junction forward voltage drop due to the wide band gap of SiC; and the merged PiN Schottky diodes which offer Schottky-like on-state and switching characteristics, and PiN-like off-state characteristics. Three types of unipolar transistors are simulated. UMOSFET devices which were the first unipolar transistors realized in SiC have shown a good on- and off-state characteristics, but suffered from problems including lower inversion layer mobility and high electric fieldcrowding at its trench corners. The DMOSFET structure formed by using a double ion implantation has avoided the trench problems occurred in UMOSFET, but still has low inversion layer mobility. An ACCUFET structure is proposed by incorporating an n-typecounter-doped layer along the oxide/semiconductor interface to restore the low inversion layer mobility observed at both UMOSFET and DMOSFET. Finally the implemented models are tested on RF transistors. A MESFET fabricated from 4H-SiC was investigated for both DC and high frequency characteristics. Excellent agreement between the simulated and measured data were obtained. These results clearly demonstrate the advantages of SiC for high-power microwave applications.

Elektronische Bauelemente und Schaltkreise, die auf "wide bandgap" Halbleitermaterialien, vor allem Siliziumkarbid (SiC), basieren, werden für die Verwendung in Hochtemperatur-, Hochleistungs- und strahlungsintensiven Anwendungen, für die konventionelle Halbleiter nicht geeignet sind, untersucht. Die deutlich besseren Eigenschaften von Siliziumkarbid unter diesen extremen Umweltbedingungen lassen beeindruckende Verbesserungen für eine Reihe von Anwendungen erwarten. Diese reichen von Hochspannungsschaltern in der Elektrizitätswirtschaft zu Elektromotoren, Mikrowellenelektronik für Radar und nachrichtentechnische Applikationen, oder Sensoren und Steuerungselektronik für moderne Verbrennungsmotoren. Neben den theoretischen Vorzügen von SiC, die erst in praktischen Bauelementen verwirklicht werden müssen, nimmt die numerischen Simulation dieses Halbleitermaterials eine wichtige Rolle für den Entwurf und die Optimierung moderner Leistungsbauelemente ein. Zunächst wird die Technologie der SiC Halbleiter kurz beschrieben. Die 3C-SiC, 4HSiC, 6H-SiC und 15R-SiC Polytypen werden für die Entwicklung von Bauelementen am häufigsten herangezogen. Diese Polytypen werden durch die Stapelsequenz der SiC Schichten charakterisiert. Eine Änderung der Stapelsequenz hat einen starken Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften. Da die hexagonalen Polytypen aus gestapelten Doppelschichten bestehen sind die elektrischen Eigenschaften unterschiedlich für Richtungenparallel und normal zur c-Achse. Das Ausmaß dieser Anisotropie wird durch den Quotienten eines Parameterwertes entlang der Achsen gemessen. Einzig 4H- und 6H-SiC Polytypen sind als Substratmaterial kommerziell erhältlich. Wichtige Faktoren, die das Kristallwachstum und die Herstellung der Bauelemente sowie deren Betrieb in Hochtemperatur-, Hochleistungs- und Hochfrequenzanwendungen beeinflussen, werden identifiziert. Unterschiede zwischen SiC Technologie und der weit verbreiteten Silizium VLSI Technologie werden besprochen. Leistungskenngrößen der SiC Bauelemente werden für verschiedene Applikationen gezeigt. Es wird eine umfassende und systematische Modellentwicklung basierend auf jüngsten Forschungsergebnissen und publizierten Messdaten vorgenommen. Aufgrund der Anisotropie der Kristallstruktur sind die Beweglichkeit, die Permittivität und die Leitfähigkeit Tensoren. Diese Tensoren sind diagonal mit zwei unabhängigen Komponenten parallel und normal zur c-Achse. Eine tensorielle Form der Poissongleichung wird adaptiert, um die Implementierung in den Bauelementsimulator MINIMOS-NT mit dem gleichen Diskretisierungsschema wie im Fall konventioneller Transportgleichungen zu ermöglichen. Die bestgeeigneten Dotierungsstoffe in 4H- und 6H-SiC haben Aktivierungsenergien, die bei Raumtemperatur höher als die thermische Energie kBT sind. Durch die unsymmetrische Platzierung der Dopanden, mit kubischer und hexagonaler Umgebung, werden platzierungsabhängige Störstellenenergien verursacht. Dies erfordert ein Modell, welches die unvollständige Ionisierung der Störstellen erlaubt, abhängig von der Temperatur und dem verwendeten Polytyp. Eine Vielzahl anderer SiC-spezifischer Modelle zur Beschreibung der Bandstuktur, der Shockley-Read-Hall oder Auger Rekombination, der temperatur- oder feldabhängigen Stoßionisation, sowie Abhängigkeiten der Beweglichkeit von der Störstellenkonzentration, der Gittertemperatur, der Ladungsträgerkonzentration, der Ladungsträgerenergie oder dem elektrischen Feld wurden implementiert. Die Modelle werden an Hand moderner SiC Gleichrichter, Schalter, und Hochfrequenztransistoren getestet. Drei Klassen von SiC Gleichrichtern werden untersucht: Die Schottky Diode, die hohe Schaltfrequenzen erlaubt aber unter hohen Leckströmen leidet, die PiN Diode, die extrem geringen Leckstrom hat aber einen hohen Spannungsabfall im eingeschalteten Zustand zeigt, und schließlich die PiN-Schottky Diode, die Schottkyartige Charakteristiken im eingeschalteten Zustand, aber PiN-artige Leckströme zeigt. Weiters werden drei Arten unipolarer Transistoren simuliert. UMOSFET Bauelemente, die ersten unipolaren Transistoren die in SiC gebaut wurden, zeigen gute Leitungs- und Sperrcharakteristik, leiden jedoch unter Problemen wie etwa der geringen Beweglichkeit in der Inversionsschicht und der Verdrängung des elektrischen Feldes an den Kanten. Die DMOSFET Struktur verspricht eine höhere Beweglichkeit in der Inversionsschicht durch Verwendung von n-dotierten Schichten entlang der Oxid-Halbleiter Grenzschicht. Die ACCUFET Struktur wird vorgestellt, bei der durch das Hinzufügen einer n-dotierten Schicht unter der Grenzfläche zwischen Halbleiter und Oxid eine höhere Beweglichkeit in der Inversionsschicht als in UMOSFET und DMOSFET Bauelementen erreicht werden kann. Schließlich werden die implementierten Modelle an Hand von Hochfrequenztransistoren getestet. Sowohl die Gleichspannungs- als auch die Hochfrequenzcharakteristik eines 4HSiC MESFET wird untersucht. Eine exzellente Übereinstimmung zwischen den Simulationsergebnissen und den Messergebnissen wird gefunden. Dadurch wurden die Vorteile von SiC für Hochleistungs-Mikrowellen Anwendungen gezeigt.