Výzvy technológie iónovej implantácie v SiC a GaN napájacích zariadeniach

Široký bandgap (WBG) polovodiče ako naprSilikónový karbid(SiC) aNitrid gáliaOčakáva sa, že (GaN) budú hrať čoraz dôležitejšiu úlohu vo výkonových elektronických zariadeniach. Ponúkajú niekoľko výhod oproti tradičným kremíkovým (Si) zariadeniam, vrátane vyššej účinnosti, hustoty výkonu a spínacej frekvencie.Iónová implantáciaje primárna metóda na dosiahnutie selektívneho dopingu v Si zariadeniach. Pri jeho aplikácii na zariadenia so širokým pásmom však existujú určité problémy. V tomto článku sa zameriame na niektoré z týchto výziev a zhrnieme ich potenciálne aplikácie v zariadeniach napájania GaN.

01

O praktickom použití rozhoduje viacero faktorovdopujúce materiályvo výrobe polovodičových zariadení:

Nízka ionizačná energia v obsadených mriežkových miestach. Si má ionizovateľné plytké donory (pre doping typu n) a akceptory (pre doping typu p) prvky. Hlbšie energetické hladiny v bandgap vedú k slabej ionizácii, najmä pri izbovej teplote, čo vedie k nižšej vodivosti pre danú dávku. Zdrojové materiály ionizovateľné a injektovateľné v komerčných iónových implantátoroch. Môžu sa použiť zlúčeniny pevných a plynných zdrojov a ich praktické využitie závisí od teplotnej stability, bezpečnosti, účinnosti generovania iónov, schopnosti produkovať jedinečné ióny na separáciu hmoty a dosiahnuť požadovanú hĺbku implantácie energie.

Zdrojové materiály ionizovateľné a injektovateľné v komerčných iónových implantátoroch. Môžu sa použiť zlúčeniny pevných a plynných zdrojov a ich praktické využitie závisí od teplotnej stability, bezpečnosti, účinnosti generovania iónov, schopnosti produkovať jedinečné ióny na separáciu hmoty a dosiahnuť požadovanú hĺbku implantácie energie.

Tabuľka 1: Bežné druhy dopantov používané v SiC a GaN energetických zariadeniach

Rýchlosti difúzie v implantovanom materiáli. Vysoké rýchlosti difúzie za normálnych podmienok žíhania po implantácii môžu viesť k nekontrolovaným spojeniam a difúzii dopantu do nežiaducich oblastí zariadenia, čo má za následok znížený výkon zariadenia.

Aktivácia a obnova poškodenia. Aktivácia dopantu zahŕňa vytváranie voľných miest pri vysokých teplotách, čo umožňuje implantovaným iónom pohybovať sa z intersticiálnych pozícií do substitučných mriežkových pozícií. Obnova poškodenia je rozhodujúca pre opravu amorfizácie a defektov kryštálov vytvorených počas procesu implantácie.

Tabuľka 1 uvádza niektoré bežne používané druhy dopantov a ich ionizačné energie pri výrobe zariadení SiC a GaN.

Zatiaľ čo dopovanie typu n v SiC aj GaN je relatívne jednoduché s plytkými dopantmi, kľúčovou výzvou pri vytváraní dopovania typu p prostredníctvom implantácie iónov je vysoká ionizačná energia dostupných prvkov.

02

Niektoré kľúčové implantácie avlastnosti žíhaniaGaN zahŕňajú:

Na rozdiel od SiC neexistuje žiadna významná výhoda pri použití horúcej implantácie v porovnaní s izbovou teplotou.

Pre GaN môže byť bežne používaný dopant Si n-typu ambipolárny, prejavujúci správanie typu n a/alebo p v závislosti od miesta jeho obsadenia. To môže závisieť od podmienok rastu GaN a viesť k čiastočným kompenzačným účinkom.

P-dopovanie GaN je náročnejšie kvôli vysokej koncentrácii elektrónov na pozadí v nedopovanom GaN, vyžadujúce vysoké hladiny horčíka (Mg) dopantu typu p na premenu materiálu na typ p. Vysoké dávky však vedú k vysokým úrovniam defektov, čo vedie k zachyteniu nosiča a kompenzácii na hlbších energetických úrovniach, čo vedie k zlej aktivácii dopantu.

GaN sa rozkladá pri teplotách vyšších ako 840°C pod atmosférickým tlakom, čo vedie k strate N a tvorbe kvapiek Ga na povrchu. Boli použité rôzne formy rýchleho tepelného žíhania (RTA) a ochranných vrstiev, ako je Si02. Teploty žíhania sú zvyčajne nižšie (<1500 °C) v porovnaní s teplotami používanými pre SiC. Bolo vyskúšaných niekoľko metód, ako je vysokotlakové, viaccyklové RTA, mikrovlnné a laserové žíhanie. Napriek tomu zostáva dosiahnutie p+ implantačných kontaktov výzvou.

03

Vo vertikálnych Si a SiC napájacích zariadeniach je bežným prístupom k okrajovému zakončeniu vytvorenie dopingového prstenca typu p prostredníctvom iónovej implantácie.Ak by bolo možné dosiahnuť selektívny doping, uľahčilo by to aj vytváranie vertikálnych zariadení GaN. Implantácia horčíkového (Mg) dopujúceho iónu čelí niekoľkým výzvam a niektoré z nich sú uvedené nižšie.

1. Vysoký ionizačný potenciál (ako je uvedené v tabuľke 1).

2. Defekty vzniknuté počas procesu implantácie môžu viesť k vytvoreniu trvalých zhlukov, ktoré spôsobia deaktiváciu.

3. Na aktiváciu sú potrebné vysoké teploty (>1300°C). To presahuje teplotu rozkladu GaN, čo si vyžaduje špeciálne metódy. Jedným úspešným príkladom je použitie ultravysokotlakového žíhania (UHPA) s tlakom N2 pri 1 GPa. Žíhaním pri 1300-1480°C sa dosiahne viac ako 70% aktivácia a vykazuje dobrú mobilitu povrchového nosiča.

4. Pri týchto vysokých teplotách difúzia horčíka interaguje s bodovými defektmi v poškodených oblastiach, čo môže viesť k odstupňovaným spojom. Kontrola distribúcie Mg v HEMT v p-GaN e-móde je kľúčovou výzvou, dokonca aj pri použití rastových procesov MOCVD alebo MBE.

Obrázok 1: Zvýšené prierazné napätie pn spoja prostredníctvom koimplantácie Mg/N

Ukázalo sa, že spoločná implantácia dusíka (N) s Mg zlepšuje aktiváciu Mg dopantov a potláča difúziu.Zlepšená aktivácia sa pripisuje inhibícii aglomerácie voľných miest implantáciou dusíka, čo uľahčuje rekombináciu týchto voľných miest pri teplotách žíhania nad 1200 °C. Okrem toho voľné miesta generované implantáciou N obmedzujú difúziu Mg, čo vedie k strmším spojeniam. Tento koncept bol použitý na výrobu vertikálnych planárnych GaN MOSFETov prostredníctvom procesu úplnej iónovej implantácie. Špecifický odpor zapnutia (RDSon) 1200V zariadenia dosiahol pôsobivých 0,14 Ohm-mm2. Ak sa tento proces môže použiť na výrobu vo veľkom meradle, mohol by byť nákladovo efektívny a mohol by sledovať bežný procesný tok používaný pri výrobe planárnych vertikálnych výkonových MOSFET Si a SiC. Ako je znázornené na obrázku 1, použitie ko-implantačných metód urýchľuje rozpad pn spojenia.

04

V dôsledku vyššie uvedených problémov sa doping p-GaN zvyčajne pestuje a nie implantuje do tranzistorov s vysokou pohyblivosťou elektrónov (HEMT) v e-móde p-GaN. Jednou z aplikácií iónovej implantácie v HEMT je laterálna izolácia zariadenia. Boli skúšané rôzne druhy implantátov, ako je vodík (H), N, železo (Fe), argón (Ar) a kyslík (O). Mechanizmus súvisí najmä s tvorbou pascí spojenou s poškodením. Výhodou tejto metódy v porovnaní s procesmi izolácie mesa etch je rovinnosť zariadenia. Obrázok 2-1 popisuje vzťah medzi dosiahnutým odporom izolačnej vrstvy a teplotou žíhania po implantácii. Ako je znázornené na obrázku, je možné dosiahnuť odpor nad 107 Ohmov/sq.

Obrázok 2: Vzťah medzi odporom izolačnej vrstvy a teplotou žíhania po rôznych implantáciách izolácie GaN

Hoci sa uskutočnilo niekoľko štúdií o vytváraní n+ Ohmických kontaktov vo vrstvách GaN pomocou implantácie kremíka (Si), praktická implementácia môže byť náročná z dôvodu vysokých koncentrácií nečistôt a výsledného poškodenia mriežky.Jednou z motivácií pre použitie Si implantácie je dosiahnutie nízkoodporových kontaktov prostredníctvom Si CMOS kompatibilných procesov alebo následných post-metalových zliatin bez použitia zlata (Au).

05

V HEMT sa implantácia nízkej dávky fluóru (F) použila na zvýšenie prierazného napätia (BV) zariadení využitím silnej elektronegativity F. Vytvorenie negatívne nabitej oblasti na zadnej strane 2-stupňového elektrónového plynu potláča vstrekovanie elektrónov do oblastí s vysokým poľom.

Obrázok 3: (a) Dopredné charakteristiky a (b) reverzná IV vertikálneho GaN SBD vykazujúce zlepšenie po implantácii F

Ďalšou zaujímavou aplikáciou iónovej implantácie v GaN je použitie F implantácie vo vertikálnych Schottkyho bariérových diódach (SBD). Tu sa implantácia F vykonáva na povrchu vedľa horného kontaktu anódy, aby sa vytvorila oblasť ukončenia okraja s vysokým odporom. Ako je znázornené na obrázku 3, spätný prúd sa zníži o päť rádov, zatiaľ čo BV sa zvýši.**