A study is performed of using a transverse electromagnetic wave approximation to measure magnetic permeability in symmetric and asymmetric strip transmission lines via electrodynamic modeling. A longitudinal component of a wave that results in a substantial measuring error is shown to arise upon the nonuniform filling of a line’s cross section with the studied samples.

High-voltage avalanche p+–p–n0–n+ diodes based on 4H–SiC are fabricated. The diodes are made in the form of mesa structures with flat side walls forming a negative bevel. The mesa structures are formed by the dry reactive ion etching of 4H-SiC through a wedge-shaped photoresist mask. The mesas have an area of 1 mm2, a height of 3.6 μm (slightly exceeding the bedding depth of 3 μm of the p–n0 junction), and the angle of inclination of the side walls is ~5° from the plane of the p–n0 junction. The I–V characteristics of the manufactured diodes are measured. At a current of 10 A, the differential resistance of the diodes and the voltage drop in the forward direction are 0.35 Ω and 6.5 V, respectively. In the reverse direction, the diodes exhibit an abrupt breakdown at voltages from 1420 to 1500 V. Using TCAD simulation, the reverse I–V characteristic of an idealized one-dimensional diode with the same parameters of the structure as in real diodes is calculated. The calculated voltage of a one-dimensional avalanche breakdown diode (1450 V) falls within the measured value range; i.e., the efficiency of the negative bevel as a security circuit is close to 100%. The pulsed reverse I–V characteristics of diodes in the powerful-avalanche breakdown mode are measured: the differential resistance is ~3 Ω, which indicates that the avalanche breakdown is uniform in area. The diodes withstand without destruction avalanche-current pulses with an amplitude of at least 10 A (current density of 103 A/cm2) and a duration of 1.2 μs (dissipated energy of 9 mJ).

High-voltage 4 H -SiC diodes with controlled avalanche breakdown at a reverse voltage of 1460 V have been fabricated. To eliminate edge effects on the periphery of the diodes, a semi-insulating area was created by irradiation with high-energy (53 MeV) argon ions. The fabricated diodes operate at avalanche current densities of ~10 3 A/cm 2 , and the avalanche resistance is no more than 0.03 Ω cm 2 . At a current pulse duration of 4 μs, the avalanche energy dissipated by the diodes to failure (due to secondary thermal breakdown) and local thermal overheating are 5 J/cm 2 and 850°C, respectively.

In this study, the dV/dt ruggedness of commercial 4H-SiC Schottky diodes C3D02060A (Wolfspeed) with DC blocking voltage of 600 V and continuous forward current of 2 A was investigated. The quasi-static reverse current-voltage characteristics of the diodes were measured in the recoverable avalanche breakdown regime up to currents of about 7 A. The mature avalanche breakdown voltage was measured to be 1180 V which is almost twice the rated blocking voltage of 600 V. The dV/dt tests were performed with the use of a pulse current generator capable of generating short (3 ns), high-current (up to 80 A), high-voltage (up to 4 kV at 50-ohm load) pulses. The dV/dt limit was found to be 1260 V/ns, in combination with the value of diode terminal voltage of 750 V. Based on TCAD simulations, the impact of unavoidable lead inductance of TO-220A package on the dV/dt limit is pointed out. It is shown that a high voltage is induced on semiconductor structure being higher than the voltage on diode external terminals. As a result, diode failure occurs, although the diode terminal voltage is significantly lower than the mature avalanche breakdown voltage of semiconductor structure.

The TCAD simulation of high-voltage 4H-SiC-based p+–n–n+ diodes with an edge semi-insulating i-type region created via the complete compensation for doping donors in the n region by deep carrier traps (the energy position of the traps in the 4H-SiC band gap is 1.2 eV below the bottom of the conduction band) is performed. It is shown that the efficiency of the edge semi-insulating i-type region at room temperature is close to 100%: the avalanche breakdown voltage of the p+–n–n+ diode with the edge i region is 1100 V, a value equal to the breakdown voltage of an idealized diode with a one-dimensional p+–n–n+ structure. The efficiency of the i-type region as the edge region gradually deteriorates with an increase in temperature above 600 K due to the thermal emission of electrons captured at the traps. The results obtained are briefly discussed in view of the practical application of radiation technology for the formation of edge semi-insulating i regions in 4H-SiC devices.

Проведено TCAD-моделирование высоковольтных 4H-SiC p+-n-n+-диодов с охранной полуизолирующей i-областью, образованной за счет полной компенсации легирующих доноров в n-области глубокими ловушками захвата носителей заряда (энергетическое положение ловушек в запрещенной зоне 4H-SiC --- 1.2 эВ ниже дна зоны проводимости). Показано, что при комнатной температуре эффективность работы полуизолирующей охранной i-области близка к 100%: напряжение лавинного пробоя p+-n-n+-диода с охранной i-областью составляет 1100 В и равно напряжению пробоя идеализированного диода с одномерной p+-n-n+-структурой. При повышении температуры выше 600 K i-область постепенно теряет свою функциональность в качестве охранной вследствие теплового выброса захваченных ловушками электронов. Полученные результаты кратко обсуждаются в плане практического использования радиационной технологии формирования полуизолирующей охранной i-области в 4H-SiC-приборах. Ключевые слова: карбид кремния, диод, полуизолирующая охранная область, TCAD-моделирование.

Изготовлены высоковольтные лавинные p+-p-n0-n+-диоды на основе 4H-SiC. Диоды выполнены в виде мезаструктур с пологими боковыми стенками, образующими прямую фаску. Мезаструктуры формировалась с помощью сухого реактивно-ионного травления 4H-SiC через маску из фоторезиста с клинообразным краем. Мезы имеют площадь 1 мм2, высоту 3.6 мкм (немного превышающую глубину залегания p-n0-перехода --- 3 мкм) и угол наклона боковых стенок ~5o от плоскости p-n0-перехода. Измерены вольт-амперные характеристики изготовленных диодов. В прямом направлении дифференциальное сопротивление диодов и падение напряжения при токе 10 А составляют 0.35 Oм и 6.5 В соответственно. В обратном направлении диоды показали резкий пробой при напряжениях от 1420 до 1500 В. С помощью TCAD-моделирования рассчитана обратная вольт-амперная характеристика идеализированного одномерного диода с теми же параметрами структуры, как и у реальных диодов. Рассчитанное напряжение лавинного пробоя одномерного диода (1450 В) попадает в диапазон измеренных значений, т. е. эффективность работы прямой фаски в качестве охранного контура близка к 100%. Измерены импульсные обратные вольт-амперные характеристики диодов в режиме мощного лавинного пробоя: дифференциальное сопротивление составляет ~3 Ом, что свидетельствует о том, что лавинный пробой однороден по площади. Диоды выдерживают без деструкции импульсы лавинного тока с амплитудой, как минимум, 10 А (плотность тока 103 А/см2) и длительностью 1.2 мкс (рассеиваемая энергия 9 мДж). Ключевые слова: карбид кремния, высоковольтный лавинный диод, прямая фаска.

Изготовлены высоковольтные 4H-SiC-диоды с контролируемым лавинным пробоем при обратном напряжении 1460 V. Для устранения краевых эффектов на периферии диодов формировалась полуизолирующая область с помощью облучения высокоэнергетическими (53 MeV) ионами аргона. Изготовленные диоды функционируют при плотностях лавинного тока ~ 103 A/cm2; лавинное сопротивление составляет не более 0.03 Omega· cm2. При длительности импульсов тока 4 μs лавинная энергия, рассеиваемая диодами до отказа (вследствие вторичного теплового пробоя), и локальный температурный перегрев составляют 5 J/cm2 и 850oC соответственно. Ключевые слова: карбид кремния, диод, охранный контур, лавинный пробой.

High-voltage (2000V) 4H-SiC Schottky diodes are fabricated. To suppress the premature breakdown at the edge of diode structures, a field plate is formed as the edge termination. In this plate, an insulator layer is formed via the self-aligned implantation of high-energy (53 MeV) argon ions into 4H-SiC. To mask the active region of the diodes, 10–12-μm-thick nickel columns with vertical walls are grown on Schottky contacts by local electrochemical deposition. A comparison of the current–voltage characteristics of terminated and nonterminated diodes shows that the forward current–voltage characteristics barely degrade after implantation, whereas the reverse current–voltage characteristics are greatly improved. Both the forward and reverse current–voltage characteristics of terminated diodes are well described in terms of the classical thermionic emission model if lowering of the Schottky-barrier height with increasing bending of energy bands is taken into account.

Изготовлены высоковольтные (2000 В) 4H-SiC диоды с барьером Шоттки. Для подавления преждевременного краевого пробоя на периферии активной области диодов формировалась полевая обкладка, диэлектрическим слоем в которой служит полуизолирующий 4H-SiC, созданный с помощью облучения высокоэнергетичными (53 МэВ) ионами аргона. Для маскирования активных областей диодных структур от облучения на шоттки-контактах локальным гальваническим осаждением выращивались никелевые столбики с вертикальными стенками высотой 10-12 мкм. Сравнение вольт-амперных характеристик диодов с обкладкой и контрольных диодов без обкладки показало, что после облучения прямые вольт-амперные характеристики практически не изменяются, в то время как обратные вольт-амперные характеристики кардинально улучшаются. При этом вольт-амперные характеристики облученных диодов как в прямом, так и в обратном направлении хорошо описываются по классической теории термоэмиссии, если дополнительно учитывается понижение высоты барьера с ростом изгиба энергетических зон в полупроводнике. Ключевые слова: карбид кремния, диод Шоттки, полевая обкладка, имплантация аргона.

Methods of micro-profiling of 4H-SiC are described: formation of mesa structures with inclined walls (off-vertical wall inclination angle exceeding 45°) by reactive ion etching; etching of mesa structures with a flat bottom and inclined walls (off-vertical wall inclination angle being smaller than 45°) by ion-beam and reactive ion plasma etching. The application of etching methods in the fabrication technology of 4H-SiC-based mesa-epitaxial field-effect transistors with a Schottky gate is demonstrated.

Рассмотрены вопросы, связанные с надежностью силовых 4H-SiC диодов Шоттки при кратковременных электрических перегрузках в обратном направлении (при работе диодов в импульсном лавинном режиме). В частности, обсуждается влияние неоднородности лавинного пробоя по площади диода на величину максимальной лавинной энергии (МЛЭ), которая может быть рассеяна диодом до того, как в нем произойдет вторичный тепловой пробой. Для оценки того, насколько однороден лавинный пробой, предложено сравнивать измеренную импульсную обратную вольт-амперную характеристику (ВАХ) диода с расчетной ВАХ идеального квазиодномерного диода. Проведены измерения обратных ВАХ промышленных 4H-SiC ДШ: через диоды пропускались одиночные импульсы лавинного тока длительностью ~1 μs; в процессе измерений амплитуда импульсов поднималась до величин, при которых происходил катастрофический отказ диодов. Показано, что увеличенное дифференциальное сопротивление диодов на лавинном участке ВАХ и пониженное экстраполированное напряжение пробоя (по сравнению с их расчетными значениями для идеальных диодов) предсказывают снижение величины МЛЭ. Ключевые слова: карбид кремния, диод Шоттки, лавинный пробой, надежность.

We have demonstrated that SiC mesastructures with gently sloping sidewalls form with the help of selective reactive ion etching (RIE) of silicon carbide through a photoresist mask (slanted walls are formed during simultaneous etching of SiC and the resistive mask with the edge in the shape of a sharp wedge). A simple geometrical model of etching predicts that the resultant slope of the mesastructure wall must be specified by two parameters, i.e., initial angle of the resistive wedge and the selectivity of SiC etching relative to the photoresist (ratio of etching rates of SiC and photoresist). For experiments, we used polished 4H–SiC wafers with the (0001) orientation. Photoresist regions with an edge angle of 22° were deposited using photolithography onto the Si side of the wafers. Then etching of mesastructures was performed in nitrogen trifluoride in a setup with an inductively coupled plasma. We selected RIE parameters ensuring SiC and photoresist etching with rates of 55 and 160 nm/min, respectively (etching selectivity was 1 : 3). The SiC mesastructures formed by etching have a height of 3.2 μm and gently sloping sidewalls with a slope of about 8°. This technology can be used for preparing high-voltage SiC devices with a straight bevel.

The prospects for the protection of high-voltage 4 H -SiC-devices from edge breakdown via the formation of mesa structures with inclined walls (negative beveling) are considered. Numerical simulation of the spatial electric-field distribution in high-voltage (~1500V) reverse-biased mesa-epitaxial p + – p – n 0 – n + 4 H -SiC diodes is performed. It is shown that negative beveling with small angles of less than 10° from the plane of the p – n 0 junction makes it possible to reduce severalfold the surface edge electric field as compared to that in the bulk. A combined protection method is suggested as the edge-termination technique for 4 H -SiC diodes with a p + – n 0 – n + structure, Schottky diodes with an n 0 blocking base, and bipolar n + – p – n 0 transistors via the implantation of boron along with negative beveling. The possibility of fabricating mesa structures with inclined walls via the photolithography and dry etching of silicon carbide is briefly discussed.

This paper describes the laboratory samples of high-voltage (1560 V) fast recovery (20 ns) avalanche diodes based on silicon carbide (SiC). It is shown that the fabricated diodes are capable of dissipating energy up to 2.9 J/cm 2 in the mode of single avalanche current pulses (1-μs pulse duration). The numerical computation of the unsteady heat process shows that self-heating by an avalanche pulse causes the local temperature in the base of the diodes to reach at least 1100 K.

Abstract Methods of micro-profiling of 4 H -SiC are described: formation of mesa structures with inclined walls (off-vertical wall inclination angle exceeding 45°) by reactive ion etching; etching of mesa structures with a flat bottom and inclined walls (off-vertical wall inclination angle being smaller than 45°) by ion-beam and reactive ion plasma etching. The application of etching methods in the fabrication technology of 4 H -SiC-based mesa-epitaxial field-effect transistors with a Schottky gate is demonstrated.

We consider problems associated with the reliability of high-power 4 H -SiC Schottky diodes (SDs) during short-term electric overloads in the reverse direction (for diodes operating in the pulsed avalanche regime). In particular, we analyze the effect of nonuniformity of an avalanche breakdown over the diode area on the maximal avalanche energy (MAE) that can be dissipated by the diode prior to its secondary thermal breakdown. For estimating the uniformity of an avalanche breakdown, we propose that the measured pulse reverse current–voltage ( I – V ) characteristic of the diode be compared with the calculated I – V characteristic of an ideal quasi-one-dimensional diode. We measured reverse I – V characteristics of commercial 4 H -SiC SDs: single avalanche current pulses with a duration of ~1 μs were passed through the diodes; during measurements, the pulse amplitudes grew to values for which a catastrophic failure of diodes occurred. It is shown that an increase in the differential resistance of diodes on the avalanche segment of the I – V curve and a decrease in the extrapolated breakdown voltage (as compared to values calculated for ideal diodes) can lead to a decrease in the MAE.

Продемонстрировано формирование SiC-мезаструктур с пологими боковыми стенками с помощью селективного реактивно-ионного травления (Reactive Ion Etching, RIE) карбида кремния через маску из фоторезиста (наклонные стенки сформированы при одновременном травлении SiC и резистивной маски, край которой имеет форму острого клина). Простая геометрическая модель травления предсказывает, что результирующий угол наклона стенки мезаструктуры должен задаваться двумя параметрами --- исходным углом резистивного клина и селективностью травления SiC по отношению к фоторезисту (отношением скоростей травления SiC и фоторезиста). Для экспериментов использовались полированные пластины 4H-SiC с ориентацией (0001). На Si-стороне пластин фотолитографическими методами были нанесены площадки из фоторезиста с краевым углом 22o. Затем проводилось травление мезаструктур в трифториде азота в установке с индуктивно-связанной плазмой. Были подобраны параметры RIE-процесса, обеспечивающие травление SiC и фоторезиста со скоростями 55 и 160 nm/min соответственно (селективность травления 1:3). Сформированные травлением SiC-мезаструктуры имеют высоту 3.2 μm и пологие боковые стенки с углом наклона около 8o. Данная технология может использоваться при изготовлении высоковольтных SiC-приборов с прямой фаской. Ключевые слова: карбид кремния, мезаструктура, наклонные стенки, фотолитография, реактивно-ионное травление.

Impact of 15 MeV proton irradiation on electrical characteristics and low frequency noise has been studied in high-power vertical 4H-SiC MOSFETs of 1.2 kV-class at doses 1012 £ F £ 1014 cm-2. The maximum value of the field-effect mobility µFЕ depends weakly on F up to F = 2×1013 cm-2. At F = 4×1013 cm-2, the character of the µFЕ(Vg) dependence changes radically. The maximum µFЕ decreases approximately threefold. The dose Fcr corresponding to the complete degradation of the device is about 1014 cm-2. It can be estimated as Fcr» he/n0, where he is the electron removal rate and n0 is the initial electron concentration in the drift layer. In the entire frequency range of analysis f, gate voltages, and drain-source biases, the frequency dependence of the current spectral noise density SI(f) follows the law SI ~ 1/f. From the data of noise spectroscopy, the density of traps in the gate oxide Ntv has been estimated. In non-irradiated structures, Ntv » 5.4×1018 cm-3eV-1. At Ф = 6×1013 cm-2, the Ntv value increases to Ntv » 7.2×1019cm-3eV-1. The non-monotonic behavior of the output current Id and the level of low frequency noise on dose F has been demonstrated.