Ioonide implantatsioonitehnoloogia väljakutsed SiC ja GaN toiteseadmetes

Wide bandgap (WBG) pooljuhid naguRänikarbiid(SiC) jaGalliumnitriid(GaN) mängib eeldatavasti üha olulisemat rolli jõuelektroonikaseadmetes. Neil on traditsiooniliste räni (Si) seadmetega võrreldes mitmeid eeliseid, sealhulgas suurem tõhusus, võimsustihedus ja lülitussagedus.Ioonide implantatsioonon esmane meetod selektiivse dopingu saavutamiseks Si-seadmetes. Siiski on selle rakendamisel laia ribalaiusega seadmetele mõned väljakutsed. Selles artiklis keskendume mõnele neist väljakutsetest ja võtame kokku nende potentsiaalsed rakendused GaN-i toiteseadmetes.

01

Selle praktilise kasutamise määravad mitmed teguridlisandidpooljuhtseadmete valmistamisel:

Madal ionisatsioonienergia hõivatud võrekohtades. Si-l on ioniseeritavad madalad doonorid (n-tüüpi dopingu jaoks) ja aktseptorid (p-tüüpi dopingu jaoks). Ribavahemikus olevad sügavamad energiatasemed põhjustavad kehva ionisatsiooni, eriti toatemperatuuril, mis põhjustab antud annuse puhul madalama juhtivuse. Ioniseeritavad ja süstitavad lähtematerjalid kaubanduslikes iooniimplanterites. Kasutada saab tahkete ja gaasiliste lähtematerjalide ühendeid ning nende praktiline kasutamine sõltub temperatuuri stabiilsusest, ohutusest, ioonide genereerimise efektiivsusest, võimest toota ainulaadseid ioone massi eraldamiseks ja saavutada soovitud energia implantatsiooni sügavus.

Kaubanduslikes iooniimplanterites ioniseeritavad ja süstitavad lähtematerjalid. Kasutada saab tahkete ja gaasiliste lähtematerjalide ühendeid ning nende praktiline kasutamine sõltub temperatuuri stabiilsusest, ohutusest, ioonide genereerimise efektiivsusest, võimest toota ainulaadseid ioone massi eraldamiseks ja saavutada soovitud energia implantatsiooni sügavus.

Tabel 1: SiC ja GaN toiteseadmetes kasutatavad levinumad lisandid

Difusioonikiirused implanteeritud materjalis. Suured difusioonikiirused tavalistes implanteerimisjärgsetes lõõmutamistingimustes võivad põhjustada kontrollimatuid ühendusi ja lisandite difusiooni seadme soovimatutesse piirkondadesse, mille tulemuseks on seadme jõudluse halvenemine.

Aktiveerimine ja kahjustuste taastamine. Dopandi aktiveerimine hõlmab vabade kohtade tekitamist kõrgetel temperatuuridel, võimaldades implanteeritud ioonidel liikuda interstitsiaalsetest positsioonidest asendusvõre positsioonidesse. Kahjustuste taastumine on ülioluline implanteerimisprotsessi käigus tekkinud amorfiseerumise ja kristallide defektide parandamiseks.

Tabelis 1 on loetletud mõned sagedamini kasutatavad lisandid ja nende ionisatsioonienergiad SiC ja GaN seadmete valmistamisel.

Kuigi n-tüüpi doping nii SiC kui ka GaN-is on madalate lisandite puhul suhteliselt lihtne, on p-tüüpi dopingu loomisel ioonimplantatsiooni kaudu peamine väljakutse saadaolevate elementide kõrge ionisatsioonienergia.

02

Mõned võtmeimplantatsioonid jalõõmutamise omadusedGaN-i hulka kuuluvad:

Erinevalt SiC-st ei ole kuumimplantatsiooni kasutamisel toatemperatuuriga võrreldes olulisi eeliseid.

GaN-i puhul võib tavaliselt kasutatav n-tüüpi lisand Si olla ambipolaarne, näidates n-tüüpi ja / või p-tüüpi käitumist sõltuvalt selle okupatsioonikohast. See võib sõltuda GaN kasvutingimustest ja põhjustada osalist kompensatsiooni.

GaN P-doping on keerulisem, kuna legeerimata GaN-is on kõrge taustelektronide kontsentratsioon, mis nõuab suurel hulgal magneesiumi (Mg) p-tüüpi lisandit, et muuta materjal p-tüüpi. Kuid suured annused põhjustavad kõrgeid defekte, mis põhjustavad kandja hõivamist ja kompenseerimist sügavamal energiatasemel, mille tulemuseks on lisandi kehv aktiveerimine.

GaN laguneb atmosfäärirõhul temperatuuril üle 840 °C, põhjustades lämmastiku kadu ja Ga-piiskade moodustumist pinnal. Kasutatud on mitmesuguseid kiire termilise lõõmutamise (RTA) vorme ja kaitsekihte, nagu SiO2. Lõõmutustemperatuurid on tavaliselt madalamad (<1500 °C) võrreldes SiC puhul kasutatavatega. Katsetatud on mitmeid meetodeid, nagu kõrgsurve, mitmetsükliline RTA, mikrolaineahi ja laserlõõmutamine. Sellegipoolest on p+ implantatsioonikontaktide saavutamine endiselt väljakutse.

03

Vertikaalsetes Si ja SiC toiteseadmetes on tavaline lähenemine servade lõpetamiseks p-tüüpi dopingurõnga loomine ioonide implanteerimise teel.Kui on võimalik saavutada selektiivne doping, hõlbustaks see ka vertikaalsete GaN-seadmete teket. Magneesiumi (Mg) lisandite ioonide implanteerimine seisab silmitsi mitme väljakutsega ja mõned neist on loetletud allpool.

1. Kõrge ionisatsioonipotentsiaal (nagu on näidatud tabelis 1).

2. Implanteerimisprotsessi käigus tekkinud defektid võivad põhjustada püsivate klastrite moodustumist, mis põhjustab deaktiveerumist.

3. Aktiveerimiseks on vaja kõrget temperatuuri (>1300°C). See ületab GaN lagunemistemperatuuri, mistõttu on vaja spetsiaalseid meetodeid. Üks edukas näide on ülikõrgsurve lõõmutamise (UHPA) kasutamine N2 rõhuga 1 GPa juures. Lõõmutamine temperatuuril 1300–1480 °C saavutab üle 70% aktivatsiooni ja sellel on hea pinnakandja liikuvus.

4. Nendel kõrgetel temperatuuridel interakteerub magneesiumi difusioon kahjustatud piirkondade punktdefektidega, mille tulemuseks võivad olla astmelised ristmikud. Mg jaotuse juhtimine p-GaN e-režiimi HEMT-des on peamine väljakutse isegi MOCVD või MBE kasvuprotsesside kasutamisel.

Joonis 1: suurenenud pn-siirde läbilöögipinge Mg/N koosimplantatsiooni tõttu

On näidatud, et lämmastiku (N) ja Mg koosimplanteerimine parandab Mg lisandite aktiveerimist ja pärsib difusiooni.Täiustatud aktiveerimine on tingitud vabade töökohtade aglomeratsiooni pärssimisest N-implantatsiooniga, mis hõlbustab nende vabade kohtade rekombinatsiooni lõõmutamistemperatuuridel üle 1200 °C. Lisaks piiravad N-implantatsioonist tekkinud vabad kohad Mg difusiooni, mille tulemuseks on järsemad ristmikud. Seda kontseptsiooni on kasutatud vertikaalsete tasapinnaliste GaN MOSFETide tootmiseks täieliku ioonide implanteerimise protsessi kaudu. 1200 V seadme eritakistus (RDSon) saavutas muljetavaldava 0,14 oomi-mm2. Kui seda protsessi saab kasutada suuremahuliseks tootmiseks, võib see olla kulutõhus ja järgida tavalist protsessivoogu, mida kasutatakse Si ja SiC tasapinnalise vertikaalvõimsusega MOSFETi valmistamisel. Nagu on näidatud joonisel 1, kiirendab koimplantatsioonimeetodite kasutamine pn-siirde lagunemist.

04

Eespool nimetatud probleemide tõttu kasvatatakse p-GaN-i dopingut tavaliselt p-GaN-i e-režiimi suure elektronliikuvuse transistoride (HEMT) asemel. Üks ioonide implanteerimise rakendusi HEMT-des on seadme külgmine isoleerimine. Proovitud on kasutada mitmesuguseid implantaate, nagu vesinik (H), N, raud (Fe), argoon (Ar) ja hapnik (O). Mehhanism on peamiselt seotud kahjustusega seotud lõksu moodustamisega. Selle meetodi eeliseks võrreldes mesa etch-isolatsiooniprotsessidega on seadme tasapinnalisus. Joonis 2-1 kirjeldab seost saavutatud isolatsioonikihi takistuse ja lõõmutamistemperatuuri vahel pärast implanteerimist. Nagu on näidatud joonisel, on võimalik saavutada takistusi üle 107 oomi/m².

Joonis 2: Seos isolatsioonikihi takistuse ja lõõmutamistemperatuuri vahel pärast erinevaid GaN-isolatsiooni implantatsioone

Kuigi GaN kihtides n + oomiliste kontaktide loomise kohta räni (Si) implantatsiooni abil on läbi viidud mitmeid uuringuid, võib praktiline rakendamine olla keeruline lisandite kõrge kontsentratsiooni ja sellest tuleneva võre kahjustuse tõttu.Üks Si implantatsiooni kasutamise ajend on madala takistusega kontaktide saavutamine Si CMOS-iga ühilduvate protsesside või järgnevate metallisulamijärgsete protsesside kaudu ilma kulda (Au) kasutamata.

05

HEMT-des on väikeses annuses fluori (F) implanteerimist kasutatud seadmete läbilöögipinge (BV) suurendamiseks, võimendades F tugevat elektronegatiivsust. Negatiivse laenguga piirkonna moodustumine 2-kraadise elektrongaasi tagaküljel pärsib elektronide süstimist kõrge väljaga piirkondadesse.

Joonis 3: (a) vertikaalse GaN SBD edasisuunalised omadused ja (b) tagurpidi IV, mis näitab paranemist pärast F-i implanteerimist

Veel üks huvitav ioonide implanteerimise rakendus GaN-is on F-implantatsiooni kasutamine vertikaalsetes Schottky barjääridioodides (SBD). Siin tehakse F-implantatsioon ülemise anoodikontakti kõrval asuvale pinnale, et luua suure takistusega serva lõpp-piirkond. Nagu on näidatud joonisel 3, vähendatakse pöördvoolu viie suurusjärgu võrra, samal ajal kui BV suureneb.**