Misure elettriche e simulazioni del tempo di vita dei portatori in dispositivi PiN in 4H-SiC

Il lavoro svolto durante l’attività di dottorato di ricerca ha riguardato la caratterizzazione di dispositivi in carburo di silicio (politipo 4H-SiC), in particolare sono state effettuate: misure e simulazioni del tempo di vita dei portatori su diodi PiN e MOSFET; misure di resistenze di strato su substrati p. Al CNR-IMM di Bologna, sono state effettuate le misure di resistenza di strato su substrati 4H-SiC tipo 𝑝, con l’obiettivo di estrarre l’energia di attivazione per l’attivazione elettrica di 1019 cm-3 e 1020 cm-3 di ioni di 𝐴𝑙 impiantato. Il lavoro è giustificato dal fatto che, allo stato dell’arte, la previsione sull’efficienza del drogaggio impiantato, utilizzando tecnologia di impiantazione ionica su 4H-SiC, è ancora dettata da studi empirici. Quindi, parametri come l’energia di attivazione per specie dopante o in funzione della concentrazione di ioni impiantati sono ancora sconosciuti. Partendo da due wafer di SiC epitassiale, sono stati impiantati atomi di drogante di 𝐴𝑙 e successivamente i wafer sono stati tagliati in diversi campioni in modo da effettuare il processo di post-implantation annealing per differenti temperature (da 1500 °C a 1950 °C). I campioni hanno un’area di 10 mm × 15 mm e contengono circa una ventina di dispositivi TLM circolari (TLM-c) con diametro di 600 μm, ed una distanza intra contatti che varia da 5 a 50 μm. La misura della resistenza dello strato impiantato 𝐴𝑙 è ottenuta da misure corrente tensione (I-V) di dispositivi TLM-c, queste misure sono state effettuate a temperatura ambiente in funzione della distanza intra metallizzazioni per ciascun dispositivo. A tal fine è stata utilizzata la tecnica a 4 punte, utilizzando una stazione a sonda meccanica, per evitare il contributo delle resistenze di linea e di connessione, così da ottenere misure più accurate. Dal grafico della resistenza totale verso la distanza intra contatti si può stimare la resistenza di strato, parametro fondamentale che fornisce informazioni riguardo l'efficienza del processo di annealing, e la resistenza specifica di contatto. Affinché la stima della resistenza di strato sia affidabile, è necessario avere contatti ohmici tra metallo e semiconduttore su un ampio intervallo di tensioni, ad esempio +/- 200 mV. È stato inoltre verificato che i valori di resistenza estratti fossero indipendenti (quindi costanti) dalla corrente utilizzata nelle misure I-V. Verificata questa condizione, è stato ricavato il valor medio della resistenza totale in funzione della distanza tra le varie metallizzazioni. Da questa relazione, che deve essere lineare per una corretta valutazione dei parametri di interesse, è stata calcolata la resistenza di strato e la resistenza specifica di contatto utilizzando le formule matematiche. Una volta estratte tutte le resistenze di strato medie si è ricavato il grafico di Arrhenius della resistenza di strato in funzione della temperatura di annealing. Dalla pendenza della resistenza di strato disegnata su scala semilogaritmica in funzione di 1/𝑘𝑇, si è ricavata l’energia di attivazione, che, nei limiti dell’errore, è uguale per entrambe le concentrazioni di 𝐴𝑙 impiantato: i valori ottenuti di energia di attivazione sono 0.8 ± 0.2 eV per la famiglia con 1019 cm-3 e 1.1 ± 0.1 eV per 1020 cm-3 di 𝐴𝑙 impiantato. In parallelo, all’università degli studi di Parma, sono state effettuate misure sui tempi di vita dei portatori su diodi PiN in 4H-SiC, fabbricati al CNR-IMM di Bologna. Come noto, il tempo di vita dei portatori è un parametro fondamentale per una previsione affidabile delle caratteristiche del dispositivo come ad esempio la on-resistance. Inoltre, data la crescente importanza dei dispositivi elettronici basati su SiC, una stima accurata del tempo di vita e della sua dipendenza dalla temperatura è un passo fondamentale verso lo sviluppo di modelli da utilizzare nella fase di progettazione iniziale di un dispositivo o per valutare le prestazioni di un convertitore di potenza oppure il comportamento del body-diode di un MOSFET. Per misurare il tempo di vita dei portatori è stata utilizzata la tecnica di misura elettrica Open-Circuit-Voltage-Decay (OCVD). Questa tecnica prevede inizialmente di polarizzare in diretta il dispositivo con un generatore di corrente/tensione, successivamente, a un certo istante di tempo, si apre un interruttore portando il dispositivo in condizione di circuito aperto. Poiché il dispositivo tornerà naturalmente alla condizione di equilibrio, la carica accumulata al suo interno sarà rimossa tramite il processo di ricombinazione: durante questo transitorio di spegnimento è possibile calcolare il tempo di vita dei portatori. In particolare lo scopo di questo lavoro è stato quello di studiare gli effetti del setup sperimentale sulla misura OCVD. Innanzitutto è stata progettata con Altium Designer una PCB, dove sono presenti le diverse componenti del circuito di misura OCVD: in particolare è stato scelto come interruttore un relè al mercurio della Pickering Electronics, essendo tra i migliori in commercio per l’applicazione in misure OCVD. Successivamente è stato sviluppato il setup di misura, esso è composto da: il generatore di corrente/tensione, Source-Measure Unit (SMU) Keithley 2400, in grado di raggiungere correnti fino ad 1 A per polarizzare il dispositivo; il generatore di impulsi, Philips PM5781, per il controllo dell’accensione e spegnimento del relè; infine l’oscilloscopio Tektronix DPO7254 che garantisce un’acquisizione fino a 40 Gs/s su un singolo canale, mentre per acquisire le curve di decadimento della tensione ai capi del dispositivo è stata utilizzata una sonda passiva, Tektronix P6139A. Successivamente, dopo aver acquisito le curve del decadimento della tensione, è stato utilizzato il software Matlab per l’elaborazione ed estrazione delle forme d’onda del tempo di vita. Dai risultati sperimentati, è stato dimostrato come le misure del tempo di vita dei portatori, con la tecnica OCVD, di questi diodi siano fortemente influenzate dalle resistenze e capacità parassite del setup di misura e dell'oscilloscopio, causando così l'allontanamento della curva OCVD dalla linearità e quindi una stima non affidabile del tempo di vita. Perciò, le azioni correttive e un'analisi attenta delle curve sperimentali di decadimento della tensione devono essere eseguite per ottenere una stima affidabile del tempo di vita. Il metodo precedentemente proposto da Green per migliorare la misura OCVD del tempo di vita dei portatori minoritari (regime di bassa iniezione del diodo), ha dimostrato di essere un approccio praticabile da seguire anche per la stima del tempo di vita ambipolare (regime di alta iniezione). Inoltre, con l'ausilio di simulazioni numeriche, utilizzando il software Sentaurus TCAD, è stata affrontata l'ambiguità ancora considerevole sull'interpretazione del minimo locale, molte volte presente nelle forme d'onda del tempo di vita estratte dalle misure OCVD, di un diodo inizialmente polarizzato in regime di alta iniezione. Di conseguenza, è stato proposto un metodo per aiutare a chiarire l'origine di questo minimo, comunemente attribuito al tempo di vita dei minoritari, che può anche essere correlato alla costante RC del circuito. Durante l’ultimo anno di attività di ricerca, è stato sviluppato un nuovo setup di misura allo scopo di calcolare il tempo di vita dei portatori in funzione della temperatura, utilizzando sempre la tecnica OCVD. Al setup precedentemente sviluppato sono state apportate alcune modifiche in modo da poter inserire solo il dispositivo studiato dentro una camera climatica, che permette di raggiungere la temperatura massima di 175 °C. Per questo tipo di studio, sono stati utilizzati diodi PiN in 4H-SiC fabbricati dalla ditta Ascatron AB (Svezia), in collaborazione con il KTH Royal Institute of Technology (Svezia). Questi diodi hanno un raggio che varia da 200 µm fino a 700 µm e sono irraggiati con diverse dosi di ioni H+: 5×108, 1×109, 5×109, 1×1010, 5×1010 cm-2. Sono state effettuate circa 2000 misure, ottenendo le misure del tempo di vita in alta iniezione al variare della temperatura per ogni tipologia di diodo irraggiato. Dai risultati ottenuti, si evince come sia possibile controllare il tempo di vita dei portatori con l’irraggiamento di ioni H+: Il tempo di vita ambipolare aumenta all’aumentare della temperatura e decresce all’aumentare della dose di irraggiamento trovando conferma in letteratura. Infine, come già accennato, la stima del tempo di vita dei portatori, in particolare la sua dipendenza dalla temperatura, è uno dei parametri più importanti da conoscere quando si lavora con un dispositivo bipolare, come il body-diode di un dispositivo MOSFET. Infatti, il tempo di vita dei portatori controlla la commutazione del diodo e può determinare l'insorgenza di sovratensioni oppure di oscillazioni eccessive durante il comportamento del diodo in reverse recovery. Per questo motivo è stato misurato il tempo di vita dei portatori, nella regione di deriva, di un MOSFET SiC commerciale applicando la tenica OCVD al PiN body-diode interno. Le misure sono state ripetute su un intervallo di temperatura di 125 °C, per tracciare le variazioni del tempo di vita dovute all'auto-riscaldamento in condizioni operative. Nell'intervallo di temperatura studiato, il tempo di vita misurato aumenta seguendo una dipendenza della legge di potenza dalla temperatura, in linea con la letteratura scientifica. Un esponente di 1.5 è stato estratto dai dati sperimentali. Inoltre, possibili cambiamenti nel comportamento in reverse recovery del diodo interno, dovute alla variazione del tempo di vita con la temperatura, sono stati studiati attraverso simulazioni numeriche, mostrando un effetto benefico dell'aumento della temperatura sulla softness del dispositivo, quando si hanno valori bassi (ordine dei nanosecondi) di tempi di vita dei minoritari. Le simulazioni numeriche possono fornire informazioni più specifiche su come si comporta il body-diode durante il periodo di reverse recovery, se si hanno maggiori informazioni sulla struttura fisica del dispositivo. Questo, può essere particolarmente utile nella fase di progettazione del dispositivo in cui è necessario valutare la correlazione tra temperatura, tempo di vita e tempo di reverse recovery. Tuttavia, è stato dimostrato come, in caso di assenza assoluta di informazioni fisiche sulla struttura del dispositivo, delle semplici misure OCVD possono essere utilizzate per fornire indicazioni sulla commutazione e il comportamento in temperatura del body-diode. I risultati di questo studio supportano l'idea che la misura OCVD possa essere una tecnica utile per caratterizzare il body-diode di un SiC MOSFET, e quindi per assistere il progettista nella scelta del dispositivo adatto per una specifica applicazione.