Izzivi tehnologije ionske implantacije v napajalnih napravah SiC in GaN

Polprevodniki s širokim pasovnim presledkom (WBG), kot nprSilicijev karbid(SiC) inGalijev nitrid(GaN) naj bi imeli vse pomembnejšo vlogo v močnostnih elektronskih napravah. Ponujajo številne prednosti pred tradicionalnimi napravami iz silicija (Si), vključno z večjo učinkovitostjo, gostoto moči in frekvenco preklopa.Ionska implantacijaje primarna metoda za doseganje selektivnega dopinga v Si napravah. Vendar pa obstaja nekaj izzivov pri njegovi uporabi na napravah s široko pasovno vrzeljo. V tem članku se bomo osredotočili na nekatere od teh izzivov in povzeli njihove možne uporabe v napajalnih napravah GaN.

01

Več dejavnikov določa praktično uporabodopantni materialiv proizvodnji polprevodniških naprav:

Nizka ionizacijska energija v zasedenih mrežnih mestih. Si ima ionizirajoče plitve donorje (za dopiranje tipa n) in akceptorje (za dopiranje tipa p). Globlji energijski nivoji znotraj pasovne vrzeli povzročajo slabo ionizacijo, zlasti pri sobni temperaturi, kar vodi do nižje prevodnosti za določen odmerek. Izvorni materiali, ki jih je mogoče ionizirati in jih je mogoče vbrizgati v komercialne ionske implantatorje. Uporabijo se lahko spojine iz trdnih in plinastih materialov, njihova praktična uporaba pa je odvisna od temperaturne stabilnosti, varnosti, učinkovitosti generiranja ionov, zmožnosti proizvajanja edinstvenih ionov za ločevanje mase in doseganja želene globine vsaditve energije.

Izvorni materiali, ki jih je mogoče ionizirati in injicirati v komercialnih ionskih implantatorjih. Uporabijo se lahko spojine trdnih in plinastih izvornih materialov, njihova praktična uporaba pa je odvisna od temperaturne stabilnosti, varnosti, učinkovitosti generiranja ionov, zmožnosti proizvajanja edinstvenih ionov za ločevanje mase in doseganja želene globine vsaditve energije.

Tabela 1: Pogoste vrste dopantov, ki se uporabljajo v močnostnih napravah SiC in GaN

Stopnje difuzije znotraj implantiranega materiala. Visoke stopnje difuzije pri normalnih pogojih žarjenja po vsaditvi lahko povzročijo nenadzorovane stike in difuzijo dopanta v neželena področja naprave, kar povzroči poslabšano delovanje naprave.

Aktivacija in sanacija škode. Aktivacija dopanta vključuje ustvarjanje prostih mest pri visokih temperaturah, kar omogoča, da se implantirani ioni premaknejo iz intersticijskih položajev v položaje nadomestne rešetke. Odprava poškodb je ključnega pomena za popravilo amorfizacije in kristalnih napak, ki nastanejo med postopkom implantacije.

Tabela 1 navaja nekatere pogosto uporabljene vrste dopantov in njihove ionizacijske energije pri izdelavi naprav SiC in GaN.

Medtem ko je dopiranje n-tipa v SiC in GaN razmeroma preprosto s plitvimi dopanti, je ključni izziv pri ustvarjanju dopinga p-tipa z ionsko implantacijo visoka ionizacijska energija razpoložljivih elementov.

02

Nekaj ​​vsaditve ključa inznačilnosti žarjenjaGaN vključujejo:

Za razliko od SiC ni bistvene prednosti pri uporabi vroče implantacije v primerjavi s sobno temperaturo.

Za GaN je običajno uporabljeni dopant n-tipa Si lahko ambipolaren in kaže obnašanje n-tipa in/ali p-tipa, odvisno od njegovega zasedbenega mesta. To je lahko odvisno od pogojev rasti GaN in povzroči delne kompenzacijske učinke.

P-dopiranje GaN je bolj zahtevno zaradi visoke koncentracije elektronov v ozadju v nedopiranem GaN, ki zahteva visoke ravni dopanta magnezijevega (Mg) p-tipa za pretvorbo materiala v p-tip. Vendar pa visoki odmerki povzročijo visoke ravni napak, kar vodi do zajema nosilca in kompenzacije na globljih ravneh energije, kar ima za posledico slabo aktivacijo dopanta.

GaN razpade pri temperaturah, višjih od 840 °C pod atmosferskim tlakom, kar povzroči izgubo N in nastanek kapljic Ga na površini. Uporabljene so bile različne oblike hitrega termičnega žarjenja (RTA) in zaščitne plasti, kot je SiO2. Temperature žarjenja so običajno nižje (<1500 °C) v primerjavi s tistimi, ki se uporabljajo za SiC. Poskusili so več metod, kot so visokotlačno, večciklično RTA, mikrovalovno in lasersko žarjenje. Kljub temu ostaja doseganje implantacijskih kontaktov p+ izziv.

03

V navpičnih močnostnih napravah Si in SiC je običajen pristop za zaključek robov ustvariti dopirni obroč tipa p z ionsko implantacijo.Če je mogoče doseči selektivno dopiranje, bi to olajšalo tudi oblikovanje navpičnih GaN naprav. Implantacija magnezijevih (Mg) dopantnih ionov se sooča z več izzivi, nekateri izmed njih pa so navedeni spodaj.

1. Visok ionizacijski potencial (kot je prikazano v tabeli 1).

2. Napake, ki nastanejo med postopkom implantacije, lahko povzročijo nastanek trajnih grozdov, ki povzročijo deaktivacijo.

3. Za aktivacijo so potrebne visoke temperature (>1300°C). To presega temperaturo razgradnje GaN, kar zahteva posebne metode. En uspešen primer je uporaba ultravisokega tlaka žarjenja (UHPA) s pritiskom N2 pri 1 GPa. Žarjenje pri 1300-1480 °C doseže več kot 70 % aktivacijo in kaže dobro mobilnost površinskega nosilca.

4. Pri teh visokih temperaturah difuzija magnezija medsebojno vpliva na točkovne napake v poškodovanih območjih, kar lahko povzroči stopnjevane stike. Nadzor porazdelitve Mg v p-GaN e-mode HEMT je ključni izziv, tudi pri uporabi procesov rasti MOCVD ali MBE.

Slika 1: Povečana prebojna napetost pn spoja zaradi soimplantacije Mg/N

Pokazalo se je, da soimplantacija dušika (N) z Mg izboljša aktivacijo dopantov Mg in zavira difuzijo.Izboljšano aktivacijo pripisujejo inhibiciji aglomeracije prostih mest z implantacijo N, kar olajša rekombinacijo teh prostih mest pri temperaturah žarjenja nad 1200 °C. Poleg tega prosta mesta, ustvarjena z implantacijo N, omejujejo difuzijo Mg, kar ima za posledico bolj strma stičišča. Ta koncept je bil uporabljen za izdelavo navpičnih planarnih GaN MOSFET-jev s postopkom popolne ionske implantacije. Specifični vklopni upor (RDSon) naprave 1200 V je dosegel impresivnih 0,14 ohmov-mm2. Če je ta postopek mogoče uporabiti za obsežno proizvodnjo, bi lahko bil stroškovno učinkovit in bi sledil običajnemu toku procesa, ki se uporablja pri izdelavi ravninskih navpičnih močnostnih MOSFET Si in SiC. Kot je prikazano na sliki 1, uporaba metod soimplantacije pospeši razgradnjo pn spoja.

04

Zaradi zgoraj omenjenih težav se doping p-GaN običajno goji, namesto da bi se implantiral v tranzistorje z visoko mobilnostjo elektronov (HEMT) v e-načinu p-GaN. Ena od aplikacij ionske implantacije v HEMT je stranska izolacija naprave. Poskušali so uporabiti različne vrste vsadkov, kot so vodik (H), N, železo (Fe), argon (Ar) in kisik (O). Mehanizem je v glavnem povezan z nastankom pasti, povezane s poškodbo. Prednost te metode v primerjavi z izolacijskimi postopki mesa jedkanja je ravnost naprave. Slika 2-1 opisuje razmerje med doseženo odpornostjo izolacijske plasti in temperaturo žarjenja po implantaciji. Kot je prikazano na sliki, je mogoče doseči upor nad 107 Ohmov/sq.

Slika 2: Razmerje med odpornostjo izolacijske plasti in temperaturo žarjenja po različnih izolacijskih implantacijah GaN

Čeprav je bilo izvedenih več študij o ustvarjanju n+ ohmskih kontaktov v plasteh GaN z implantacijo silicija (Si), je lahko praktična izvedba zahtevna zaradi visokih koncentracij nečistoč in posledične poškodbe mreže.Ena od motivacij za uporabo implantacije Si je doseganje stikov z nizkim uporom s postopki, združljivimi s Si CMOS, ali kasnejšimi postopki post-kovinske zlitine brez uporabe zlata (Au).

05

V HEMT-jih je bila implantacija nizkega odmerka fluora (F) uporabljena za povečanje razgradne napetosti (BV) naprav z izkoriščanjem močne elektronegativnosti F. Tvorba negativno nabitega območja na hrbtni strani 2-DEG elektronskega plina zavira vbrizgavanje elektronov v področja z visokim poljem.

Slika 3: (a) Prednje značilnosti in (b) povratni IV navpičnega GaN SBD, ki kaže izboljšanje po implantaciji F

Druga zanimiva uporaba ionske implantacije v GaN je uporaba F implantacije v vertikalnih diodah s Schottkyjevo pregrado (SBD). Tukaj se implantacija F izvede na površini poleg zgornjega anodnega kontakta, da se ustvari robno zaključno območje z visoko odpornostjo. Kot je prikazano na sliki 3, se povratni tok zmanjša za pet velikostnih redov, medtem ko se BV poveča.**