Introduzione: Il ruolo critico delle diodi di potenza e della passività di superficie

I diodi di potenza sono blocchi fondamentali nell'elettronica di potenza moderna, che servono come rettificatori, diodi di freewheeling e elementi di snubber in applicazioni che vanno dai alimentatori a commutazione e dai motori agli inverter elettrici e ai sistemi di energia rinnovabile.

Gli strati di passività superficiale, in cui i film dielettrici depositati sulla superficie del semiconduttore del diodo, sono progettati per controllare la velocità di ricombinazione della superficie, ridurre al minimo le correnti di fuga e proteggere il dispositivo da contaminanti ambientali.

Fondamenti di Passività di superficie in Power Diodes

Perché superficie Passività Matters

In un diodo di potenza, l'interfaccia p‐n o Schottky si estende alla superficie dei semiconduttori. In questa superficie esposta, il reticolo di cristallo periodico termina bruscamente, creando un'alta densità di legami e di stati di interfaccia abbaglianti. Questi difetti agiscono come centri di ricombinazione della generazione, portando ad una maggiore corrente di dispersione sotto il pregiudizio inverso e una ridotta durata del vettore nella regione di prossimità della superficie di superficie.

Uno strato di passività serve molteplici funzioni:

  • Riduce la densità di stato dell'interfaccia[[] saturando i legami di formicolio (ad esempio, attraverso l'idrogenazione o la formazione di ossido).
  • Prove una superficie stabile e a bassa ricombinazione[[] per preservare la vita di minoritario in dispositivi bipolari.
  • Blocca l'ingresso di umidità, ioni e gas reattivi[[]] che potrebbero corrodere i contatti metallici o degradare il semiconduttore.
  • Fornisce una carica fissa[] che può essere progettata per invertire o accumulare la superficie, controllando così la distribuzione del campo elettrico vicino alla terminazione di giunzione.

Meccanismi dell'interazione di Dielettrico-Semiconduttore

I parametri elettrici chiave di uno strato di passivazione includono la sua costante dielettrica, la resistenza al campo di rottura, la densità di carica fissa e la densità di trappola dell'interfaccia. Per un tipico diodo di potere di silicio, diossido di silicio (SiO2) coltivato termicamente o depositato dalla deposizione chimica del vapore (CVD) forma un'interfaccia di alta qualità con una bassa densità di stati (~1010 cm−2 eV−1).

In semiconduttori a banda larga come il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN), l'assenza di un ossido nativo stabile rende la passivazione di superficie più impegnativa.

Impatto sulle prestazioni elettriche

Corrente di perdite e tensione di blocco

L'effetto più diretto della passività superficiale è sulla corrente di dispersione inversa. Una superficie ben passavata riduce la corrente di generazione che ha contribuito alle trappole di interfaccia. Ad esempio, nei diodi PiN ad alta tensione, le correnti di fuga possono essere ridotte di più di un ordine di grandezza dopo aver ottimizzato lo spessore dello strato di passivazione e la carica fissa.

La zona di terminazione di giunzione, dove il raccordo p‐n incontra la superficie, permette di evitare la tensione di rottura sotto il limite teorico. Gli strati di passività con una carica fissa appropriata (ad esempio, la carica fissa positiva in SiO2) possono esaurire la regione superficiale, diffondendo il campo elettrico in modo più uniforme e consentendo una tensione di bloccaggio più elevata.

Ripristino e commutazione inversa

Nelle applicazioni di commutazione rapida, il comportamento di recupero inverso di un diodo di potenza è una fonte importante di perdita di energia. La carica di recupero inversa (Qrr) e la corrente inversa di picco (Irr) sono influenzate dalla vita di minoritario-carrier nella regione della deriva e vicino alla superficie. Uno strato di passivazione che riduce la ricombinazione superficiale può effettivamente aumentare la carica memorizzata, portando a maggiore Qrrr.

Per i diodi di barriera Schottky (SBD), la passività superficiale colpisce direttamente l'altezza della barriera e la resistenza della serie. La passività può portare a pinning di livello Fermi e a un comportamento non ideale Schottky, aumentando la caduta della tensione in avanti e riducendo l'efficienza.

Tensione in avanti e resistenza in stato

Mentre la passività colpisce principalmente la superficie, può anche influenzare la resistenza allo stato (Ron) in dispositivi verticali attraverso la corrente che affolla vicino al bordo. Uno strato di passività scarsamente progettato può creare un percorso ad alta resistenza al bordo, costringendo la corrente a scorrere attraverso una regione più stretta e aumentando la tensione in avanti. Inoltre, se lo strato di passività induce eccessivo stress di compressione nel semiconduttore, può alterare leggermente gli effetti di mobilità del vettore.

Influenza sulla stabilità a lungo termine e affidabilità

Degradazione ambientale

I diodi di potenza sono spesso esposti a ambienti difficili: elevata umidità, ciclo di temperatura, gas corrosivi e radiazioni ionizzanti. Senza una robusta passivazione, l'umidità può penetrare nella superficie dei semiconduttori, causando la corrosione elettrochimica dei contatti metallici e aumentando le correnti di fuga nel tempo.

Instabilità della temperatura di Bias (BTI)

In caso di prolungata inversione a temperature elevate, le cariche possono migrare all'interno dello strato di passivazione o rimanere intrappolate all'interfaccia, spostando la tensione di soglia delle strutture ad effetto campo e alterando le caratteristiche di rottura del diodo. Questa instabilità della temperatura di bias (BTI) è una modalità di guasto conosciuta nei dispositivi di alimentazione.

Ripartizione dielettrica dipendente dal tempo (TDDB)

La dielettrica di passività stessa è soggetta a usura-out sotto campi elettrici elevati. La ripartizione dielettrica dipendente dal tempo (TDDB) dello strato di passività può causare un fallimento catastrofico se le rotture dielettriche e permette la corrente di scorrere attraverso la terminazione di giunzione. La durata della passività dipende dalla sua forza di rottura intrinseca, spessore e densità di di difetti.

Materiali di Passività e loro Trade-off

Diossido di silicio (SiO2)

SiO2 su silicio è una delle caratteristiche più basse della densità di stato dell'interfaccia (Dit[ ~ 1010 cm−2 eV−1) tra tutti i dielettrici, rendendolo lo standard d'oro per la terminazione di giunzione e i dielettrizzatori di canna nei dispositivi di alimentazione di silicio.

Nitro di silicio (Si3N4)

Il nitruro di silicio depositato da PECVD o LPCVD fornisce una barriera densa contro l'umidità e gli ioni alcali, con una costante dielettrica intorno al 7. La sua maggiore autorizzazione consente uno strato più sottile per la stessa capacità, che è utile per le strutture di campo-plate. Il principale svantaggio è una maggiore densità di stato dell'interfaccia quando depositato direttamente sul silicio; un ossido sottile interfacciale (SiO2) è tipicamente inserito per mantenere la buona passività SiN.

Ossido di alluminio (Al2O3)

Alumina (Al2O3) depositata da ALD ha ottenuto trazione sia in dispositivi silicio che in banda larga. Offre una costante dielettrica di ≈9, un campo di rottura elevato (>8 MV/cm), e una carica fissa negativa moderata che è utile per la passività superficiale di tipo p-type (ad esempio, in strutture di cancello di tipo atomico). Per i diodi di potenza, Al2O3 può ridurre la ricombinazione di processo di stabilità-livello ALD

Dielettriche polimeriche

I polimeri e altri polimeri organici vengono utilizzati come strati di pressione-buffer e rivestimenti di passivazione finale, offrendo flessibilità, bassa sollecitazione e facilità di lavorazione. Tuttavia, la loro permeabilità all'umidità e resistenza alla rottura inferiore limitano il loro utilizzo a dispositivi a bassa tensione o come strati protettivi secondari.

Tecniche di Passività Avanzate

Deposizione di strati atomici (ALD)

Per i diodi di potenza SiC e GaN, ALD Al2O3 o ALD SiO2 possono ridurre la densità di trappola dell'interfaccia da un ordine di grandezza rispetto ai film PECVD convenzionali.

Piatti di campo e estensioni di terminazione di giunzione (JTEs)

Lo strato di passivazione non solo protegge la superficie ma serve anche come dielettrico nelle strutture a piastre che diffondono il campo elettrico. In diodi di potenza ad alta tensione, una piastra di campo metallico sovrappone la regione di terminazione di giunzione, con un dielettrico a forma disegnata con cura (ad esempio, ossido rastremato o gradini dielettri multipli), può aumentare la tensione di rottura del 20–30%.

Stack di passaggio multistrato

Un pila comune è termico SiO2 (per qualità dell'interfaccia) + PECVD Si3N4 (barriera della mobilitÃ) + poliimide (rilievo di stress). Ogni strato svolge un ruolo complementare. Le interfacce tra strati devono essere pulite e prive di contaminanti; la pulizia del plasma o le sequenze di deposizione in-situ sono utilizzate per garantire l'ademinazione.

Sfide nella moderna Power Diode Passivation

Semiconduttori a larga portata

L'emergenza di diodi di potenza di SiC e GaN ha esposto i limiti della passività basata su SiO2. In SiC, l'interfaccia di ossido termico contiene cluster di carbonio residui e una maggiore densità di trappole di interfaccia (Dit] ~ 1012 cm−2 eV−1) rispetto al silicio.

Funzionamento dell'ambiente ad alta temperatura e di Harsh

I diodi di potenza automobilistici e industriali devono operare a temperature di giunzione superiori a 175°C, e in alcuni dispositivi SiC fino a 300°C. I dielettrici PECVD convenzionali possono degradarsi in tali condizioni a causa dell'evoluzione dell'idrogeno o del rilassamento strutturale.

Uniformità e Defettività

Con l'aumento dei diametri wafer (200 mm e 300 mm per silicio, 150 mm e presto 200 mm per SiC), il raggiungimento dello spessore e della composizione di passivazione uniforme attraverso l'intero wafer diventa impegnativo. Gli effetti di bordo, l'ombra in PECVD, e il flusso di gas non uniforme possono creare variazioni locali che degradano la resa.

Le direzioni future

Materiali dielettrici di romanzo

La ricerca in dielettrici ad alto contenuto di carbonio come l'ossido di hafnium (HfO2) o l'ossido di zirconio (ZrO2) è in corso, motivata dal loro potenziale per una maggiore autorizzazione (κ ≈ 20–25) e dalla compatibilità con la deposizione a strato atomico. Tuttavia, la loro qualità di interfaccia su SiC e GaN è ancora inferiore a Al2O3.

In-Situ Passività e Interfaccia Ingegneria

Per ottenere la più bassa densità possibile di trappola dell'interfaccia, i processi futuri possono integrare la pulizia della superficie, l'ossidazione e la deposizione dielettrica in un unico strumento di vuoto (elaborazione in-situ). Questo approccio elimina l'esposizione dell'aria che può portare alla contaminazione interfacciale.

Imparare la macchina per l'ottimizzazione dei processi

L'enorme spazio di parametri nella deposizione dielettrica (temperatura, pressione, flussi di gas, potenza plasmatica, condizioni di ricottura) viene sempre più esplorato utilizzando modelli di apprendimento automatico che prevedono le proprietà cinematografiche dalle condizioni di composti organici precursori.

Conclusioni

Gli strati di passività di superficie sono molto più di un rivestimento protettivo finale; sono parte integrante delle prestazioni elettriche e dell'affidabilità a lungo termine dei diodi di potenza. Riducendo i difetti di interfaccia, controllando i campi elettrici e schermatura del dispositivo da stressanti ambientali, la passività determina direttamente le correnti di fuga, la tensione di rottura, le perdite di commutazione e la vita.

Per ulteriori informazioni sulla scienza delle interfacce dielettriche-semiconduttori, vedere la revisione completa di J. M. H. Swart et al.] sulla passività di SiC, e il lavoro di K. W. Ang et al. sulle strategie dielettrizzazioni di ALD per i dispositivi di potenza.