Provocările tehnologiei de implantare ionică în dispozitivele de putere SiC și GaN

Semiconductori cu bandă interzisă largă (WBG), cum ar fiCarbură de siliciu(SiC) șiNitrură de galiu(GaN) se așteaptă să joace un rol din ce în ce mai important în dispozitivele electronice de putere. Ele oferă mai multe avantaje față de dispozitivele tradiționale din silicon (Si), inclusiv eficiență mai mare, densitate de putere și frecvență de comutare.Implantarea ionicăeste metoda principală pentru realizarea dopajului selectiv în dispozitivele din Si. Cu toate acestea, există unele provocări atunci când îl aplicați pe dispozitive cu bandgap largă. În acest articol, ne vom concentra asupra unora dintre aceste provocări și ne vom rezuma aplicațiile potențiale ale acestora în dispozitivele de alimentare GaN.

01

Mai mulți factori determină utilizarea practică amateriale dopanteîn fabricarea dispozitivelor semiconductoare:

Energie scăzută de ionizare în zonele de rețea ocupate. Si are elemente ionizabile donatori superficiali (pentru dopaje de tip n) și acceptoare (pentru dopaje de tip p). Nivelurile de energie mai profunde din banda interzisă au ca rezultat o ionizare slabă, în special la temperatura camerei, ceea ce duce la o conductivitate mai scăzută pentru o anumită doză. Pot fi utilizați compuși de materiale solide și gazoase, iar utilizarea lor practică depinde de stabilitatea temperaturii, siguranță, eficiența generării de ioni, capacitatea de a produce ioni unici pentru separarea masei și de a atinge adâncimea dorită de implantare a energiei.

Materiale sursă ionizabile și injectabile în implantare de ioni comerciale. Pot fi utilizați compuși de materiale solide și gazoase, iar utilizarea lor practică depinde de stabilitatea temperaturii, siguranță, eficiența generării de ioni, capacitatea de a produce ioni unici pentru separarea masei și de a atinge adâncimea dorită de implantare a energiei.

Tabelul 1: Specii de dopanți comune utilizate în dispozitivele de putere SiC și GaN

Viteze de difuzie în materialul implantat. Ratele ridicate de difuzie în condiții normale de recoacere post-implant pot duce la joncțiuni necontrolate și difuzie de dopanți în zonele nedorite ale dispozitivului, ceea ce duce la o performanță degradată a dispozitivului.

Activare și recuperare daune. Activarea dopantului implică generarea de locuri libere la temperaturi ridicate, permițând ionilor implantați să se deplaseze din pozițiile interstițiale în pozițiile rețelei de substituție. Recuperarea daunelor este crucială pentru repararea defectelor de amorfizare și cristale create în timpul procesului de implantare.

Tabelul 1 enumeră unele specii de dopanți utilizate în mod obișnuit și energiile lor de ionizare în fabricarea dispozitivelor SiC și GaN.

În timp ce dopajul de tip n atât în ​​SiC, cât și în GaN este relativ simplu cu dopanți de mică adâncime, o provocare cheie în crearea dopajului de tip p prin implantare ionică este energia de ionizare ridicată a elementelor disponibile.

02

Câteva implantare cheie șicaracteristici de recoacerede GaN includ:

Spre deosebire de SiC, nu există niciun avantaj semnificativ în utilizarea implantării la cald în comparație cu temperatura camerei.

Pentru GaN, dopantul Si de tip n utilizat în mod obișnuit poate fi ambipolar, prezentând un comportament de tip n și/sau de tip p în funcție de locul său de ocupare. Acest lucru poate depinde de condițiile de creștere a GaN și poate duce la efecte de compensare parțială.

P-dopajul GaN este mai dificil din cauza concentrației mari de electroni de fond în GaN nedopat, necesitând niveluri ridicate de dopant de tip p de magneziu (Mg) pentru a transforma materialul în tipul p. Cu toate acestea, dozele mari au ca rezultat niveluri ridicate de defecte, ducând la captarea și compensarea purtătorului la niveluri de energie mai profunde, rezultând o activare slabă a dopantului.

GaN se descompune la temperaturi mai mari de 840°C sub presiunea atmosferică, ducând la pierderi de azot și la formarea de picături de Ga la suprafață. Au fost folosite diferite forme de recoacere termică rapidă (RTA) și straturi de protecție, cum ar fi SiO2. Temperaturile de recoacere sunt de obicei mai mici (<1500°C) comparativ cu cele utilizate pentru SiC. Au fost încercate mai multe metode, cum ar fi de înaltă presiune, RTA cu mai multe cicluri, cu microunde și recoacere cu laser. Cu toate acestea, realizarea contactelor de implantare p+ rămâne o provocare.

03

În dispozitivele verticale de putere Si și SiC, o abordare comună pentru terminarea marginilor este crearea unui inel de dopaj de tip p prin implantare ionică.Dacă se poate realiza dopajul selectiv, ar facilita și formarea dispozitivelor verticale GaN. Implantarea ionilor dopanți de magneziu (Mg) se confruntă cu mai multe provocări, iar unele dintre ele sunt enumerate mai jos.

1. Potențial ridicat de ionizare (așa cum se arată în Tabelul 1).

2. Defectele generate în timpul procesului de implantare pot duce la formarea de clustere permanente, determinând dezactivarea.

3. Pentru activare sunt necesare temperaturi ridicate (>1300°C). Aceasta depășește temperatura de descompunere a GaN, necesitând metode speciale. Un exemplu de succes este utilizarea recoacerii la presiune ultra-înaltă (UHPA) cu presiune de N2 la 1 GPa. Recoacerea la 1300-1480°C realizează o activare de peste 70% și prezintă o bună mobilitate a purtătorului de suprafață.

4. La aceste temperaturi ridicate, difuzia magneziului interacționează cu defecte punctuale din regiunile deteriorate, ceea ce poate duce la joncțiuni gradate. Controlul distribuției Mg în HEMT-uri p-GaN e-mode este o provocare cheie, chiar și atunci când se utilizează procese de creștere MOCVD sau MBE.

Figura 1: Creșterea tensiunii de defalcare a joncțiunii pn prin co-implantare Mg/N

S-a demonstrat că coimplantarea azotului (N) cu Mg îmbunătățește activarea dopanților de Mg și suprimă difuzia.Activarea îmbunătățită este atribuită inhibării aglomerării locurilor libere prin implantarea de N, care facilitează recombinarea acestor locuri libere la temperaturi de recoacere peste 1200°C. În plus, locurile libere generate de implantarea N limitează difuzia Mg, rezultând joncțiuni mai abrupte. Acest concept a fost folosit pentru a fabrica MOSFET-uri GaN planare verticale printr-un proces de implantare completă a ionilor. Rezistența specifică la pornire (RDSon) a dispozitivului de 1200V a atins un impresionant 0,14 Ohms-mm2. Dacă acest proces poate fi utilizat pentru producția la scară largă, ar putea fi rentabil și ar putea urma fluxul obișnuit al procesului utilizat în fabricarea MOSFET de putere verticală plană Si și SiC. După cum se arată în Figura 1, utilizarea metodelor de co-implantare accelerează defalcarea joncțiunii pn.

04

Datorită problemelor menționate mai sus, dopajul p-GaN este de obicei crescut, mai degrabă decât implantat în tranzistoare cu mobilitate ridicată a electronilor (HEMT) p-GaN. O aplicație a implantării ionice în HEMT este izolarea laterală a dispozitivului. Au fost încercate diferite specii de implant, cum ar fi hidrogen (H), N, fier (Fe), argon (Ar) și oxigen (O). Mecanismul este legat în principal de formarea capcanelor asociate cu deteriorarea. Avantajul acestei metode în comparație cu procesele de izolare mesa etch este planeitatea dispozitivului. Figura 2-1 descrie relația dintre rezistența obținută a stratului de izolare și temperatura de recoacere după implantare. După cum se arată în figură, pot fi obținute rezistențe de peste 107 Ohmi/mp.

Figura 2: Relația dintre rezistența stratului de izolare și temperatura de recoacere după diferite implantări de izolare GaN

Deși au fost efectuate mai multe studii privind crearea de contacte n+ Ohmice în straturile GaN folosind implantarea de siliciu (Si), implementarea practică poate fi dificilă din cauza concentrațiilor mari de impurități și a deteriorării rețelei rezultate.O motivație pentru utilizarea implantării Si este de a obține contacte cu rezistență scăzută prin procese compatibile cu Si CMOS sau procese ulterioare de aliaj post-metal fără utilizarea aurului (Au).

05

În HEMT, implantarea în doze mici de fluor (F) a fost utilizată pentru a crește tensiunea de defalcare (BV) a dispozitivelor prin valorificarea electronegativității puternice a lui F. Formarea unei regiuni încărcate negativ pe partea din spate a gazului de electroni de 2 DEG suprimă injecția de electroni în regiunile cu câmp înalt.

Figura 3: (a) Caracteristici directe și (b) IV inversă a GaN SBD vertical care arată o îmbunătățire după implantarea F

O altă aplicație interesantă a implantării ionice în GaN este utilizarea implantării F în diodele de barieră Schottky verticale (SBD). Aici, implantarea F este efectuată pe suprafața de lângă contactul anodului superior pentru a crea o zonă de terminare a muchiei de înaltă rezistență. După cum se arată în figura 3, curentul invers este redus cu cinci ordine de mărime, în timp ce BV este crescut.**