Предизвици на технологијата за имплантација на јони во уредите за напојување SiC и GaN

Полупроводници со широк опсег (WBG) како што сеСилициум карбид(SiC) иГалиум нитрид(GaN) се очекува да игра сè поважна улога во моќните електронски уреди. Тие нудат неколку предности во однос на традиционалните силиконски (Si) уреди, вклучувајќи поголема ефикасност, густина на моќност и фреквенција на префрлување.Имплантација на јоние примарен метод за постигнување селективен допинг кај уредите Si. Сепак, има некои предизвици кога се применува на уреди со широк опсег. Во оваа статија, ќе се фокусираме на некои од овие предизвици и ќе ги сумираме нивните потенцијални апликации во уредите за напојување GaN.

01

Неколку фактори ја одредуваат практичната употреба надопантни материјаливо производството на полупроводнички уреди:

Ниска енергија на јонизација во окупираните решетки места. Si има јонизирачки плитки донатори (за допинг од n-тип) и акцептори (за допинг од тип p) елементи. Подлабоките нивоа на енергија во бендот резултираат со слаба јонизација, особено на собна температура, што доведува до помала спроводливост за дадена доза. Може да се користат соединенија на материјали од цврсти и гасни извори, а нивната практична употреба зависи од температурната стабилност, безбедноста, ефикасноста на генерирање на јони, способноста да се произведат уникатни јони за сепарација на маса и да се постигне саканата енергетска имплантација длабочина.

Изворните материјали што се јонизираат и се инјектираат во комерцијални јонски импланти. Може да се користат соединенија на материјали од цврсти и извори на гас, а нивната практична употреба зависи од температурната стабилност, безбедноста, ефикасноста на генерирање на јони, способноста да се произведат уникатни јони за сепарација на маса и да се постигне саканата енергетска имплантација длабочина.

Табела 1: Вообичаени видови на допант што се користат во уредите за напојување SiC и GaN

Стапки на дифузија во вградениот материјал. Високите стапки на дифузија при нормални услови на жарење по имплантот може да доведат до неконтролирани спојувања и допантска дифузија во несаканите области на уредот, што резултира со деградирани перформанси на уредот.

Активирање и враќање на штетата. Активирањето на допант вклучува генерирање празни места на високи температури, овозможувајќи имплантираните јони да се движат од интерстицијалните позиции до супституционалните решетки позиции. Враќањето на штетата е од клучно значење за поправка на аморфизацијата и дефектите на кристалите создадени за време на процесот на имплантација.

Во Табела 1 се наведени некои најчесто користени допантни видови и нивните енергии на јонизација во производството на уреди со SiC и GaN.

Додека допингот од n-тип и кај SiC и кај GaN е релативно едноставен со плитки допанти, клучен предизвик во создавањето допинг од p-тип преку имплантација на јони е високата енергија на јонизација на достапните елементи.

02

Некоја клучна имплантација икарактеристики на жарењена GaN вклучуваат:

За разлика од SiC, нема значителна предност во користењето на топла имплантација во споредба со собната температура.

За GaN, најчесто користениот n-тип на допант Si може да биде амбиполарен, покажувајќи однесување од n-тип и/или p-тип во зависност од неговото место на занимање. Ова може да зависи од условите за раст на GaN и да доведе до делумни ефекти на компензација.

P-допингот на GaN е попредизвикувачки поради високата концентрација на електрони во позадина во недопрениот GaN, барајќи високи нивоа на допант од магнезиум (Mg) од типот p за да се претвори материјалот во р-тип. Сепак, високите дози резултираат со високи нивоа на дефекти, што доведува до фаќање на носачот и компензација на подлабоки енергетски нивоа, што резултира со слаба активација на допант.

GaN се распаѓа на температури повисоки од 840°C под атмосферски притисок, што доведува до губење на N и формирање на капки Ga на површината. Применети се различни форми на брзо термичко жарење (RTA) и заштитни слоеви како што е SiO2. Температурите на жарење обично се пониски (<1500°C) во споредба со оние што се користат за SiC. Испробани се неколку методи како што се висок притисок, RTA со повеќе циклуси, микробранова печка и ласерско жарење. Сепак, постигнувањето p+ контакти за имплантација останува предизвик.

03

Во вертикалните уреди за напојување Si и SiC, вообичаен пристап за завршување на рабовите е да се создаде допинг прстен од p-тип преку имплантација на јони.Ако може да се постигне селективен допинг, тоа исто така би го олеснило формирањето на вертикални GaN уреди. Имплантацијата на допантни јони на магнезиум (Mg) се соочува со неколку предизвици, а некои од нив се наведени подолу.

1. Висок потенцијал за јонизација (како што е прикажано во Табела 1).

2. Дефектите генерирани за време на процесот на имплантација може да доведат до формирање на постојани кластери, предизвикувајќи деактивирање.

3. За активирање се потребни високи температури (>1300°C). Ова ја надминува температурата на распаѓање на GaN, поради што се потребни посебни методи. Еден успешен пример е употребата на жарење со ултра висок притисок (UHPA) со N2 притисок на 1 GPa. Греењето на 1300-1480°C постигнува над 70% активирање и покажува добра подвижност на носачот на површината.

4. На овие високи температури, дифузијата на магнезиум е во интеракција со точките дефекти во оштетените региони, што може да резултира со степенувани спојки. Контролата на дистрибуцијата на Mg во p-GaN е-режим HEMT е клучен предизвик, дури и кога се користат MOCVD или MBE процеси на раст.

Слика 1: Зголемен пробивен напон на пн спој преку коимплантација на Mg/N

Се покажа дека коимплантацијата на азот (N) со Mg го подобрува активирањето на допантите на Mg и ја потиснува дифузијата.Подобреното активирање се припишува на инхибицијата на агломерација на празни места со имплантација на N, што ја олеснува рекомбинацијата на овие празни места при температури на жарење над 1200°C. Дополнително, празнините генерирани со имплантација на N ја ограничуваат дифузијата на Mg, што резултира со поостри споеви. Овој концепт е искористен за производство на вертикални рамни GaN MOSFET преку процес на целосна јонска имплантација. Специфичниот отпор (RDSon) на уредот од 1200V достигна импресивни 0,14 Ohms-mm2. Ако овој процес може да се искористи за производство од големи размери, тој би можел да биде рентабилен и да го следи заедничкиот тек на процесите што се користи во изработката на MOSFET со рамни вертикални моќности на Si и SiC. Како што е прикажано на слика 1, употребата на методи за ко-имплантација го забрзува распаѓањето на pn спојот.

04

Поради гореспоменатите прашања, p-GaN допингот вообичаено се одгледува наместо да се вградува во p-GaN е-режим транзистори со висока мобилност на електрони (HEMTs). Една примена на имплантација на јони во HEMT е латералната изолација на уредот. Пробани се различни видови импланти, како што се водород (H), N, железо (Fe), аргон (Ar) и кислород (O). Механизмот е главно поврзан со формирање на стапица поврзана со оштетување. Предноста на овој метод во споредба со процесите на изолација на меса еч е плошноста на уредот. Слика 2-1 ја опишува врската помеѓу постигнатиот отпор на изолациониот слој и температурата на жарење по имплантацијата. Како што е прикажано на сликата, може да се постигнат отпори од над 107 Ohms/sq.

Слика 2: Врска помеѓу отпорот на изолациониот слој и температурата на жарење по различни имплантации на изолација на GaN

Иако се спроведени неколку студии за создавање n+ Ohmic контакти во слоевите GaN со помош на имплантација на силициум (Si), практичната имплементација може да биде предизвик поради високите концентрации на нечистотии и како резултат на оштетување на решетката.Една мотивација за користење на имплантација на Si е да се постигнат контакти со низок отпор преку процеси компатибилни со Si CMOS или последователни процеси на постметална легура без употреба на злато (Au).

05

Во HEMT, имплантација на флуор (F) со мала доза се користи за да се зголеми напонот на распаѓање (BV) на уредите со искористување на силната електронегативност на F. Формирањето на негативно наелектризиран регион на задната страна на електронскиот гас од 2-DEG го потиснува вбризгувањето на електрони во области со високо поле.

Слика 3: (а) Карактеристики напред и (б) обратна IV на вертикалната GaN SBD што покажува подобрување по имплантација на F

Друга интересна примена на имплантација на јони во GaN е употребата на F имплантација во вертикални Шотки бариерни диоди (SBD). Овде, имплантација на F се изведува на површината до горниот контакт на анодата за да се создаде област за завршување на рабовите со висок отпор. Како што е прикажано на слика 3, обратната струја е намалена за пет реда на големина, додека BV е зголемена.**