Wyzwania technologii implantacji jonów w urządzeniach zasilających SiC i GaN

Półprzewodniki o szerokiej przerwie energetycznej (WBG), takie jakWęglik krzemu(SiC) iazotek galuOczekuje się, że (GaN) będą odgrywać coraz ważniejszą rolę w urządzeniach energoelektronicznych. Oferują kilka zalet w porównaniu z tradycyjnymi urządzeniami krzemowymi (Si), w tym wyższą wydajność, gęstość mocy i częstotliwość przełączania.Implantacja jonówjest podstawową metodą uzyskiwania selektywnego domieszkowania w urządzeniach Si. Jednakże zastosowanie go do urządzeń o szerokiej przerwie energetycznej wiąże się z pewnymi wyzwaniami. W tym artykule skupimy się na niektórych z tych wyzwań i podsumujemy ich potencjalne zastosowania w urządzeniach zasilających GaN.

01

O praktycznym zastosowaniu decyduje kilka czynnikówmateriały domieszkowew produkcji urządzeń półprzewodnikowych:

Niska energia jonizacji w zajętych miejscach sieci. Si ma podatne na jonizację płytkie donory (dla domieszkowania typu n) i akceptory (dla domieszkowania typu p). Głębsze poziomy energii w pasmie wzbronionym powodują słabą jonizację, szczególnie w temperaturze pokojowej, co prowadzi do niższej przewodności dla danej dawki. Materiały źródłowe można jonizować i wstrzykiwać w dostępnych na rynku implantach jonowych. Można stosować związki materiałów stałych i gazowych, a ich praktyczne zastosowanie zależy od stabilności temperaturowej, bezpieczeństwa, wydajności wytwarzania jonów, zdolności do wytwarzania unikalnych jonów do separacji mas i osiągnięcia pożądanej głębokości implantacji energii.

Materiały źródłowe, które można jonizować i wstrzykiwać w komercyjnych implantatorach jonowych. Można stosować związki materiałów stałych i gazowych, a ich praktyczne zastosowanie zależy od stabilności temperaturowej, bezpieczeństwa, wydajności wytwarzania jonów, zdolności do wytwarzania unikalnych jonów do separacji mas i osiągnięcia pożądanej głębokości implantacji energii.

Tabela 1: Powszechnie stosowane gatunki domieszek w urządzeniach zasilających SiC i GaN

Szybkość dyfuzji w wszczepionym materiale. Wysokie szybkości dyfuzji w normalnych warunkach wyżarzania po wszczepieniu mogą prowadzić do niekontrolowanych połączeń i dyfuzji domieszki do niepożądanych obszarów urządzenia, co skutkuje pogorszeniem jego działania.

Aktywacja i naprawa uszkodzeń. Aktywacja domieszki polega na generowaniu wolnych miejsc w wysokich temperaturach, umożliwiając wszczepionym jonom przemieszczanie się z pozycji śródmiąższowych do pozycji sieci substytucyjnej. Odbudowa uszkodzeń ma kluczowe znaczenie dla naprawy amorfizacji i defektów kryształów powstałych w procesie implantacji.

W tabeli 1 wymieniono niektóre powszechnie stosowane rodzaje domieszek i ich energie jonizacji w produkcji urządzeń SiC i GaN.

Chociaż domieszkowanie typu n zarówno w SiC, jak i GaN jest stosunkowo proste w przypadku płytkich domieszek, kluczowym wyzwaniem w tworzeniu domieszkowania typu p poprzez implantację jonów jest wysoka energia jonizacji dostępnych pierwiastków.

02

Niektóre kluczowe implantacje iwłaściwości wyżarzaniaGaN obejmują:

W przeciwieństwie do SiC, stosowanie implantacji na gorąco nie przynosi znaczących korzyści w porównaniu z temperaturą pokojową.

W przypadku GaN powszechnie stosowana domieszka typu n Si może być dwubiegunowa i wykazywać zachowanie typu n i/lub typu p w zależności od miejsca jej zasiedlenia. Może to zależeć od warunków wzrostu GaN i prowadzić do częściowych efektów kompensacyjnych.

Domieszkowanie P GaN jest trudniejsze ze względu na wysokie stężenie elektronów tła w niedomieszkowanym GaN, wymagające dużej zawartości domieszki magnezu (Mg) typu p w celu przekształcenia materiału w typ p. Jednakże wysokie dawki powodują wysoki poziom defektów, co prowadzi do wychwytywania i kompensacji nośnika na głębszych poziomach energii, co skutkuje słabą aktywacją domieszki.

GaN rozkłada się w temperaturach wyższych niż 840°C pod ciśnieniem atmosferycznym, co prowadzi do utraty N i tworzenia kropelek Ga na powierzchni. Zastosowano różne formy szybkiego wyżarzania termicznego (RTA) i warstwy ochronne, takie jak SiO2. Temperatury wyżarzania są zazwyczaj niższe (<1500°C) w porównaniu do temperatur stosowanych w przypadku SiC. Próbowano zastosować kilka metod, takich jak wysokociśnieniowe, wielocykliczne RTA, mikrofalowe i wyżarzanie laserowe. Niemniej jednak osiągnięcie kontaktów implantacyjnych p+ pozostaje wyzwaniem.

03

W pionowych urządzeniach zasilających Si i SiC powszechnym podejściem do zakończenia krawędzi jest utworzenie pierścienia domieszkującego typu p poprzez implantację jonów.Jeśli uda się osiągnąć domieszkowanie selektywne, ułatwi to również tworzenie pionowych urządzeń GaN. Implantacja jonów z domieszką magnezu (Mg) wiąże się z kilkoma wyzwaniami, a niektóre z nich wymieniono poniżej.

1. Wysoki potencjał jonizacji (jak pokazano w tabeli 1).

2. Wady powstałe w procesie implantacji mogą prowadzić do powstania trwałych skupisk, powodując dezaktywację.

3. Do aktywacji wymagane są wysokie temperatury (>1300°C). Przekracza to temperaturę rozkładu GaN, co wymaga specjalnych metod. Jednym z udanych przykładów jest zastosowanie wyżarzania pod ultrawysokim ciśnieniem (UHPA) przy ciśnieniu N2 pod ciśnieniem 1 GPa. Wyżarzanie w temperaturze 1300-1480°C pozwala na osiągnięcie ponad 70% aktywacji i wykazuje dobrą ruchliwość nośnika powierzchniowego.

4. W tak wysokich temperaturach dyfuzja magnezu oddziałuje z defektami punktowymi w uszkodzonych obszarach, co może skutkować stopniowanymi połączeniami. Kontrola dystrybucji Mg w HEMT w trybie e-mode p-GaN jest kluczowym wyzwaniem, nawet w przypadku stosowania procesów wzrostu MOCVD lub MBE.

Rysunek 1: Zwiększone napięcie przebicia złącza pn w wyniku współimplantacji Mg/N

Wykazano, że współimplantacja azotu (N) z Mg poprawia aktywację domieszek Mg i hamuje dyfuzję.Ulepszoną aktywację przypisuje się hamowaniu aglomeracji wakatów przez implantację N, co ułatwia rekombinację tych wakatów w temperaturach wyżarzania powyżej 1200°C. Dodatkowo wolne miejsca powstałe w wyniku implantacji N ograniczają dyfuzję Mg, powodując bardziej strome połączenia. Koncepcja ta została wykorzystana do produkcji pionowych, płaskich tranzystorów MOSFET GaN w procesie pełnej implantacji jonów. Specyficzna rezystancja włączenia (RDSon) urządzenia 1200 V osiągnęła imponującą wartość 0,14 oma-mm2. Jeśli proces ten można zastosować w produkcji na dużą skalę, mógłby być opłacalny i przebiegać zgodnie ze wspólnym przebiegiem procesu stosowanym przy produkcji płaskich pionowych MOSFETów mocy z Si i SiC. Jak pokazano na rysunku 1, zastosowanie metod koimplantacji przyspiesza rozpad złącza pn.

04

Ze względu na wyżej wymienione problemy domieszkę p-GaN zwykle hoduje się, a nie wszczepia w tranzystorach o wysokiej ruchliwości elektronów (HEMT) p-GaN w trybie e. Jednym z zastosowań implantacji jonów w HEMT jest boczna izolacja urządzenia. Próbowano stosować różne rodzaje implantów, takie jak wodór (H), N, żelazo (Fe), argon (Ar) i tlen (O). Mechanizm ten związany jest głównie z tworzeniem się pułapek związanych z uszkodzeniami. Zaletą tej metody w porównaniu z procesami izolacji metodą mesa etch jest płaskość urządzenia. Rysunek 2-1 przedstawia zależność pomiędzy uzyskaną rezystancją warstwy izolacyjnej a temperaturą wyżarzania po implantacji. Jak pokazano na rysunku, można osiągnąć rezystancję powyżej 107 omów/m2.

Rysunek 2: Zależność pomiędzy rezystancją warstwy izolacyjnej a temperaturą wyżarzania po różnych implantacjach izolacyjnych GaN

Chociaż przeprowadzono kilka badań nad tworzeniem styków n+ omowych w warstwach GaN przy użyciu implantacji krzemu (Si), praktyczne wdrożenie może stanowić wyzwanie ze względu na wysokie stężenia zanieczyszczeń i wynikające z nich uszkodzenia sieci.Jedną z motywacji stosowania implantacji Si jest uzyskanie styków o niskiej rezystancji w procesach zgodnych z Si CMOS lub późniejszych procesach ze stopami metali bez użycia złota (Au).

05

W HEMT zastosowano implantację małych dawek fluoru (F) w celu zwiększenia napięcia przebicia (BV) urządzeń poprzez wykorzystanie silnej elektroujemności F. Tworzenie się ujemnie naładowanego obszaru na tylnej stronie gazu elektronowego 2-DEG hamuje wstrzykiwanie elektronów do obszarów o wysokim polu.

Rysunek 3: (a) Charakterystyka w przód i (b) odwrócona IV pionowego GaN SBD wykazująca poprawę po implantacji F

Innym interesującym zastosowaniem implantacji jonów w GaN jest zastosowanie implantacji F w pionowych diodach barierowych Schottky'ego (SBD). W tym przypadku implantacja F jest wykonywana na powierzchni obok górnego styku anody, aby utworzyć obszar zakończenia krawędziowego o wysokiej rezystancji. Jak pokazano na rysunku 3, prąd wsteczny zmniejsza się o pięć rzędów wielkości, podczas gdy BV wzrasta.**