Table of Contents

הקדמה: התפקיד הקריטי של Power Diodes ו- Surface Passivation

דיודות כוח הם אבני בניין בסיסיות באלקטרוניקה המודרנית של כוח, המשמש כמתאמת, דיודות משחררות, ואלמנטים נוסטלים ביישומים החל מאספקת חשמל מחוספס וכוננים מנועים לרכב חשמלי ומערכות אנרגיה מתחדשת.היכולת שלהם לנהל ביעילות הנוכחית בכיוון קדימה תוך חסימת מתחים מתקדמים ישירות קובע יעילות מערכת, ניהול תרמי, ואמינות כללית.

שכבות מעבר משטח - ב dielectric סרטים שהופקדו על פני השטח למחצה של דיווד - הם מונדסים כדי לשלוט על פני השטח recombination מהירות, למזער זרמי דליפה, ולהגן על המכשיר מפני contaminants סביבתיים.ללא מעבר יעיל, מצבי פני השטח והאשמות קבועות יכול להפיג באופן דרמטי את יכולת החסימה, להגדיל את ההפסדים, ולהאיץ מנגנונים כגון dielectric-reative-reative-repoding-reative-reative-reative-reative-reative-reative-reperic-reperic-reperation-reperty-reperic-repercadation ולבחון את ההשפעות של טכניקות.

יסודות של מעברי פני השטח ב Power Diodes

למה דברים מעבר לפס

בגוון כוח, הצומת p-n או ממשק שאטקי משתרע על פני השטח המוליכים למחצה. על פני השטח החשוף הזה, ה-קריסטל תקופתי מסתיימת בפתאומיות, יצירת צפיפות גבוהה של אג"ח ומדי מדינות ממשק. פגמים אלה פועלים כמרכזי פני דור-סביבה, המוביל להדלפה מוגברת הנוכחית תחת הטיה הפוכה וצמצום החיים באזור הסמוך-surface, הוא פגיע לפרסומות אפילפטיות אחרות, או למולנטיות, אשר יכולות ליצור מוליכים להתנהגויות מוליכים למשטח פוטנציאליות, או לשחיתות אחרות, או להתנהגויות אפילפטיות, או יכולות לגרום להתנהגויות אפילפטיות אחרות.

שכבת מעבר משרתת מספר פונקציות:

  • (ב) ,0) , אספקת הדחיסות של המדינה בממשק 1 (הופנה מהדף ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ,0) מספק משטח יציב, נמוך-השביע (FLT) 1:1 כדי לשמר את חיי ה-carrier של מיעוט במכשירים דו קוטביים.
  • (ב) [ה]התעלל [ה] את התוקפנות של לחות, בצלים, גזים תגובתיים: 1Fillo:0] שיכול היה לפוצץ את מגעי המתכת או לזלזל במוליכים למחצה.
  • (ב) ,0) , פקד על מטען קבוע של 1FLT (הראשונה ל- 1 ), אשר ניתן להנדס או להצטבר על פני השטח, ובכך לשלוט על חלוקת השדה החשמלי ליד הצומת.

מכניזם של דיאלקטרי-Semiconductor

הפרמטרים החשמליים המרכזיים של שכבת מעבר כוללים את עוצמת השדה הדיאלקטרית, השברת, צפיפות המטען הקבועה, ואת צפיפות המלכודת ממשק. עבור מפולת כוח סיליקון טיפוסית (SiO2) גדלה תרמית או מופקדת על ידי פיזור כימי (CVD) מהווה ממשק באיכות גבוהה עם צפיפות נמוכה של מדינות (10-2 e-V-1).

במוליכים למחצה רחבים פסגפ כגון סיליקון carbide (SiC) ו-Giaium nitride (GaN), היעדר תחמוצת מולדת יציבה הופכת את פני השטח מאתגר יותר. Dielectric שכבות כגון oxide אלומיניום (Al2O3), צפיפות דו חמצני שהופקדה על ידי שכבת אטומית (AL), או dielectrics מוטבעת הם מועסקים כדי למזער מלכודות וטעינה תוך מתן תוכן קבוע, תוך מתן כוח גבוה, כמו גם על ידי השכבה לטווח ארוך, או השפעה על ידי אטומית, או השפעה על ידי אטומית של כל השפעה על ידי אטומית, או DVDVDPOD.

השפעה על ביצועי חשמל

Leakage Current and Blocking Voltage

ההשפעה הישירה ביותר של מעבר פני השטח היא על זרם ההדלפה לאחור. משטח מעוקל היטב מפחית את הדור הנוכחי תרם על ידי מלכודות ממשק.לדוגמה, בסיליקון גבוה PiN diodes, זרמי דליפות ניתן להפחית על ידי יותר מסדר גודל לאחר אופטימיזציה של עובי המעבר וטעינה קבועה.

מעבר משטח משפיע גם על המתח השבר.אזור סיום הצומת - שבו הצומת p-n פוגש את פני השטח - ניסיון שדה חשמלי ההמונים אשר יכול להפחית את המתח השבר מתחת לגבול התיאורטי.עבור שכבות עם מטען קבוע (למשל, מטען קבוע חיובי בסיאול2) יכול לרוקן את השטח, להפיץ את השדה החשמלי בצורה אחידה יותר ומאפשר חסימת בלוק גבוה יותר.

שחזור והפסדים משתנים

ביישומים מהירים, התנהגות ההתאוששות לאחור של דלודי כוח היא מקור עיקרי לאובדן אנרגיה.החיוב ההחזרות לאחור (Qrr) ועלייה לאחור הנוכחית (Irr) מושפעת מחיי החיים של המיעוט באזור הסחף וסמוך על פני השטח. שכבת מעבר המפחיתה את קצב ההשחזור על פני השטח למעשה יכולה להגדיל את המטען, המוביל ל- Qrr גבוה יותר.

עבור מפולת מחסום שטאקי (SBDs), המעבר על פני השטח משפיע ישירות על גובה המחסום והתנגדות סדרה. העברת מחירים ירודה יכול להוביל לרמה של פרמי והתנהגויות לא-ideal Schtky, הגדלת ירידה מתח קדימה וצמצום היעילות. ב SiC SBDs, שילוב של תחמוצת תרמית ופוסט-חמצן anealing in Nittric nea (NO) הוא שיפור המלכודת אידיאלית.

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

בעוד המעבר משפיע בעיקר על פני השטח, זה יכול גם להשפיע על ההתנגדות על המדינה (Ron) במכשירים אנכיים באמצעות קהל נוכחי ליד הקצה. שכבת מעבר מעוצבת גרועה עשויה ליצור נתיב עמידות גבוהה בקצה, מה שמחייב זרם מודרני לזרום דרך אזור צר יותר ולהגדיל את המתח קדימה.

השפעה על יציבות ארוכת טווח וגמישות

איכות הסביבה Degradation

דיאודות כוח נחשפים לעתים קרובות לסביבות קשות: לחות גבוהה, רכיבה על טמפרטורה, גזים קורוזיים, וצינון קרינה.ללא מעבר חזק, לחות יכול לחדור אל משטח המוליכים למחצה, גרימת קורוזיה אלקטרוכימית של מגעים מתכת וזרםי דליפה מוגברת לאורך זמן. ⁇ ntride משמש נרחב כמו מחסום בגלל המבנה הדחוס שלה, ללא יכולת גבוהה כגון מחסנית / אלקטרוניקה טובה (אוריד) או מחסנית (אוב) עם תכונות חשמליות טובה) או אלקטרוניקה טובה (אוריד) או מחסנית (אובקרוב) עם מחסנית) או מחסנים טוב) מחסנים (S.

חוסר יכולת טמפרטורה (BTI)

תחת הטיה הפוכה ממושכת בטמפרטורות גבוהות, האשמות יכולות להגר בתוך שכבת המעבר או להיות לכודים בממשק, שינוי המתח הסף של מבנים אפקט שדה ולשנות את המאפיינים השבר של ה diode. זה טמפרטורה הטיה (BTI) הוא מצב כשלון ידוע בהתקני כוח.מחקרים הראו כי צפיפות המטען הקבועה בסיאול2 יכולה להגדיל תחת לחץ שלילי, בעוד מימן יכול לטעון שכבת מלכודת מימן ולהפחית את המלכודת המלכודת המלכודת המלכודת המלכודת מתקדמת.

זמן-Dependent Dielectric Breakdown (TDDB)

הדיואלקטריות העוברות עצמה כפופה לחבושת מתחת לשדות חשמליים גבוהים.ההתמוטטות הדיאלקטרי תלויה בזמן (TDDB) של שכבת המעבר יכולה לגרום לכישלון קטסטרופלי אם הקרעים הדיאלקטריים ומאפשרת לזרם מעבר לצומת.הזמן של המעבר תלוי בשבר הפנימי שלו, בכבדות ובדחיסות הגבוהה של ה-iCNC ו-AOCN2, על פני הדחיסה הגבוהה, עם הגדלה חשמלית גבוהה, כמו ה-Av3/D2, יש עודף משקל גבוה.

חומרים להחלפה והמסחר שלהם

Silicon Dioxide (SiO2)

ה-SiO2 גדל בסיליקון מציע את צפיפות המדינה הנמוכה ביותר של ממשק (DigitalFLT:0itigitFLT:1 - 1010 ס"מ -2 eV-1) בין כל dielectrics, מה שהופך אותו תקן זהב עבור צומת ושער dielectrics בתקני כוח סיליקון.עם זאת, קבוע דיאלקטרי נמוך יחסית (3.9) ותכונות מתון נגד לחות וסוליום הם עבור יישומים גבוהים.

סיליקון ניליד (Si3N4)

ניטריד הסיליקון שהופקד על ידי PECVD או LPCVD מספק מחסום צפוף נגד לחות וצלים אלקלי, עם קבוע דיאלקטרי סביב 7.היתר הגבוה שלו מאפשר מדלל שכבת עבור אותה קיבול, אשר מועיל עבור מבני שדה-plate.החלץ העיקרי הוא גם צפיפות ממשק גבוה יותר כאשר מופקד ישירות על סיליקון; תחמוצת בין-גזעית דקה (Si2) מכיל בדרך כלל איכות טובה.

אלומיניום Oxide (Al2O3)

Alumina (Al2O3) שהופקדה על ידי ALD צברה מערכת גם סיליקון וגם רחב פסגה מכשירים.זה מציע קבוע דיאלקטרי של ⁇ 9, שדה התמוטטות גבוהה (>8 MV / ס"מ), ו מטען שלילי מתון קבוע כי הוא שימושי עבור מעבר פני השטח p-type (למשל, במבנים p-GaN).

פולימר דיאלקטרי

פולימרים אורגניים אחרים משמשים כמו שכבות מתח וציפוי המעבר הסופי.הם מציעים גמישות, לחץ נמוך וקלות עיבוד.עם זאת, את היכולת שלהם לחות וצמצום כוח להגביל את השימוש שלהם למכשירים נמוכים מתח או כמו שכבות הגנה משניות.בכמה מודולים כוח, פולימרים משמשים כציפוי מתח על פני המעבר הראשוני של אורגניציה כדי להפחית את העייפות מכנית במהלך רכיבה מכנית.

טכניקות מתקדמות

שכבת אטומית (ALD)

ALD מאפשר את הדהור של אולטרה-תין, dielectrics ללא הפסקה עם שליטה עובי מדויקת.עבור SiC ו GaN כוח דיודות, ALD Al2O3 או ALD SiO2 יכול להפחית את צפיפות הממשק על ידי סדר גודל בהשוואה לסרטי PECVD קונבנציונלי. Post-deposition annealing בהקמה של גז (H2 /N2) מעבר נוסף ל-Dandling תואמים גם את האג"ח הפונקציונליות הגבוהה של .

לוחות שדה וצומת צומת סיום הרחבה (JTEs)

שכבת המעבר לא רק מגנה על פני השטח אלא גם משמשת כ dielectric במבנים שדה-plate אשר להפיץ את השדה החשמלי.ב דיודות כוח גבוהה, שדה מתכת חופף את אזור סיום הצומת, עם דיאלקטרי מעוצב בקפידה (למשל, תחמוצת דחוס או מספר שלבים dielectric), יכול להגדיל את המתח על ידי 20-30% המעבר חומרים מתואמים באופן ישיר:0 מגנטיים מאפשר יעילות שטח קצר יותר:

Multi-Layer Passivation Stacks

אף דיאלקטרי יחיד אינו עונה על כל הדרישות בו זמנית.לכן, דיודות הכוח המודרניות משתמשות לעתים קרובות בערימה של שתי שכבות או יותר.ערימה נפוצה היא תרמית SiO2 (עבור איכות ממשק) + PECVD Si3N4 (מחסום חלל) + פולימידיד (סיוע מתח) כל שכבה מבצע תפקיד משלים.הממשקים בין השכבות חייבים להיות נקיים וחופשיים של מפלטמה; ניקוי או ניקוי בקווים למניעת רצף משמש כדי להבטיח רצף של זיהום.

אתגרים ב-Moderal Power Diode Passivation

ראשי > Bandgap Semiconductors

הופעתה של SiC ו- GaN כוח דידות חשפה את המגבלות של מעבר קונבנציונאלי SiO2 מבוסס סיי.סי.סי.סי.סי.סי.סי.סי.סי.סי.סי.סי.איי., ממשק תחמוצת הפחמן הדו-חמצני התרמית מכיל אשכולות פחמן שאריות ודחיסות גבוהה יותר של מלכודות ממשק (DFLT:2D) אך הוא מצמצם את רמת ה-HDV-V-V-V-V-D.

תאטרון גבוה וסביבת חרש

דיודות כוח תעשייתי ורכב חייב לפעול בטמפרטורות צומת מעל 175 מעלות צלזיוס, ובכמה מכשירי SiC עד 300 מעלות צלזיוס. קונבנציונאל PECVD dielectrics יכול לכווץ בתנאים אלה עקב האבולוציה מימן או הרפיה מבנית. ⁇ גבוהה-זמנית של לוחות כגון ALD2O3 או LPCVD SiO2 מועדפים, אך לעתים קרובות הם דורשים טמפרטורות גבוהות יותר (C) עלול להיות מקבילה) עם תהליכים מסוימים.

אחידות והגנתיות

בעוד קוטרי wfer להגדיל (200 מ"מ ו-300 מ"מ עבור סיליקון, 150 מ"מ ו -200 מ"מ עבור SiC), השגת עובי מעבר אחיד והרכב על פני כל הוואפר הופך לאתגר. Edge אפקטים, צללים ב PECVD, וזרימת גז לא אחידה יכול ליצור וריאציות מקומיות כי דה תשואות.מתקדמים עיצובי מקלחת ותהליכי ALD לשפר אחידות אבל עלות.

כיוונים עתידיים

חומרים דיאלקטריים

מחקר לתוך דיאלקטריות גבוהות כגון תחמוצת ההפריום (HfO2) או zirconium oxide (ZrO2) הוא מתמשך, מונע על ידי הפוטנציאל שלהם עבור הרשיון גבוה יותר ( ⁇ 20-25) והתאמה עם שכבת אטומית deposition. עם זאת, איכות הממשק שלהם על SiC וגאון עדיין נחות אל Al2O3. Ferroelectrics (g, אופטימיזציה אטומית) הם גם כן, כמו כן, כמו כן, צומת טונה) יכול להיות נבדקים עבור תופעות לוואי סימולציה.

החלפת הנדסת ממשק ו- Interface Engineering

כדי להשיג את צפיפות המלכודת הנמוכה ביותר האפשרית של ממשק, תהליכים עתידיים עשויים לשלב ניקוי פני השטח, חמצון, ופירוק דיאלקטרי בכלי ריק יחיד (בהתאמה של עיבוד), גישה זו מבטלת חשיפה אווירית שיכולה להוביל לזיהום בין-גזעי.עבור SiC, ב-Situation of a minute SiC, in-situ deposition of a minute Passivation Layer (sicon interlayer) לפני שצמיחה חד-חמצני הוכיחה תוצאות מבטיחות בצמצום:0FLTit: 1.

למידה ממוחשבת עבור אופטימיזציה של תהליכים

מרחב הפרמטר העצום בפירוק דיאלקטרי (טמפרטורה, לחץ, זרימת גז, כוח פלזמה, תנאי אנטנהלינג) נחקר יותר ויותר באמצעות מודלים של למידת מכונה המנבאים תכונות קולנוע מתנאים מורכבים אורגניים.מודלים כאלה יכולים להאיץ את הפיתוח של ערימות המעבר המותאמים לשיעורי מתח ספציפיים וסביבות הפעלה.

מסקנה

שכבות מעבר משטח הן הרבה יותר מאשר ציפוי הגנה סופי; הן חלק בלתי נפרד מהביצועים החשמליים ואמינות ארוכת טווח של דיודות חשמל. על ידי צמצום פגמים ממשק, שליטה בשדות חשמליים, והגנת המכשיר מפני מתח סביבתיים, המעבר קובע ישירות זרמי דליפה, לחץ, שינוי, החלפת הפסדי, ומאחורי כל החיים.

(ב) ב[[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]] ב[[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]] [[1924]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]]]] ב[[1924]], [[1924]]]]]]]] ב[[1924]]]], [[[[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]] [[[[[[1924]]]]]]