Výzvy technologie iontové implantace v SiC a GaN Power Devices

Polovodiče s širokým pásmem (WBG) jako napřKarbid křemíku(SiC) aGallium nitridOčekává se, že (GaN) budou hrát stále důležitější roli ve výkonových elektronických zařízeních. Nabízejí několik výhod oproti tradičním křemíkovým (Si) zařízením, včetně vyšší účinnosti, hustoty výkonu a spínací frekvence.Iontová implantaceje primární metodou pro dosažení selektivního dopingu v Si zařízeních. Při aplikaci na zařízení s širokým bandgapem však existují určité problémy. V tomto článku se zaměříme na některé z těchto výzev a shrneme jejich potenciální aplikace v napájecích zařízeních GaN.

01

O praktickém využití rozhoduje několik faktorůdotovací materiályve výrobě polovodičových součástek:

Nízká ionizační energie v obsazených mřížkových místech. Si má ionizovatelné mělké donory (pro doping typu n) a akceptory (pro doping typu p) prvky. Hlubší energetické hladiny v bandgapu mají za následek špatnou ionizaci, zejména při pokojové teplotě, což vede k nižší vodivosti pro danou dávku. Zdrojové materiály ionizovatelné a injektovatelné v komerčních iontových implantátorech. Mohou být použity sloučeniny pevných a plynných zdrojů a jejich praktické použití závisí na teplotní stabilitě, bezpečnosti, účinnosti generování iontů, schopnosti produkovat jedinečné ionty pro separaci hmoty a dosažení požadované hloubky implantace energie.

Zdrojové materiály ionizovatelné a injektovatelné v komerčních iontových implantátorech. Mohou být použity sloučeniny pevných a plynných zdrojů a jejich praktické použití závisí na teplotní stabilitě, bezpečnosti, účinnosti generování iontů, schopnosti produkovat jedinečné ionty pro separaci hmoty a dosažení požadované hloubky implantace energie.

Tabulka 1: Běžné druhy dopantů používané v energetických zařízeních SiC a GaN

Rychlosti difúze v implantovaném materiálu. Vysoké rychlosti difúze za normálních podmínek žíhání po implantaci mohou vést k nekontrolovaným spojům a difúzi dopantu do nežádoucích oblastí zařízení, což má za následek zhoršení výkonu zařízení.

Aktivace a obnova poškození. Aktivace dopantů zahrnuje generování vakancí při vysokých teplotách, což umožňuje implantovaným iontům přesunout se z intersticiálních pozic do substitučních poloh mřížky. Obnova poškození je zásadní pro opravu amorfizace a krystalových defektů vzniklých během procesu implantace.

Tabulka 1 uvádí některé běžně používané druhy dopantů a jejich ionizační energie při výrobě zařízení SiC a GaN.

Zatímco dopování typu n v SiC i GaN je relativně přímočaré s mělkými dopanty, klíčovou výzvou při vytváření dopování typu p prostřednictvím iontové implantace je vysoká ionizační energie dostupných prvků.

02

Některé klíčové implantace avlastnosti žíhánímezi GaN patří:

Na rozdíl od SiC neexistuje žádná významná výhoda při použití horké implantace ve srovnání s pokojovou teplotou.

Pro GaN může být běžně používaný dopant Si typu n ambipolární a vykazovat chování typu n a/nebo typu p v závislosti na místě obsazení. To může záviset na podmínkách růstu GaN a vést k částečným kompenzačním účinkům.

P-dopování GaN je náročnější kvůli vysoké koncentraci elektronů na pozadí v nedopovaném GaN, vyžadující vysoké hladiny hořčíku (Mg) dopantu typu p pro přeměnu materiálu na typ p. Vysoké dávky však vedou k vysokým úrovním defektů, což vede k zachycení a kompenzaci nosiče na hlubších energetických hladinách, což má za následek špatnou aktivaci dopantu.

GaN se rozkládá při teplotách vyšších než 840 °C za atmosférického tlaku, což vede ke ztrátě N a tvorbě kapiček Ga na povrchu. Byly použity různé formy rychlého tepelného žíhání (RTA) a ochranné vrstvy, jako je Si02. Teploty žíhání jsou typicky nižší (<1500 °C) ve srovnání s teplotami používanými pro SiC. Bylo vyzkoušeno několik metod, jako je vysokotlaké, vícecyklové RTA, mikrovlnné žíhání a laserové žíhání. Nicméně dosažení p+ implantačních kontaktů zůstává výzvou.

03

Ve vertikálních Si a SiC napájecích zařízeních je běžným přístupem pro zakončení hran vytvoření dopingového prstence typu p prostřednictvím iontové implantace.Pokud by bylo možné dosáhnout selektivního dopingu, usnadnilo by to také tvorbu vertikálních zařízení GaN. Implantace dopujících iontů hořčíku (Mg) čelí několika problémům a některé z nich jsou uvedeny níže.

1. Vysoký ionizační potenciál (jak je uvedeno v tabulce 1).

2. Defekty vzniklé během procesu implantace mohou vést k vytvoření trvalých shluků, které způsobí deaktivaci.

3. K aktivaci jsou nutné vysoké teploty (>1300°C). To překračuje teplotu rozkladu GaN, což vyžaduje speciální metody. Jedním z úspěšných příkladů je použití ultravysokotlakého žíhání (UHPA) s tlakem N2 při 1 GPa. Žíháním při 1300-1480°C se dosáhne více než 70% aktivace a vykazuje dobrou mobilitu povrchového nosiče.

4. Při těchto vysokých teplotách difúze hořčíku interaguje s bodovými defekty v poškozených oblastech, což může vést ke stupňovitým spojům. Řízení distribuce Mg v p-GaN e-módu HEMT je klíčovou výzvou, a to i při použití růstových procesů MOCVD nebo MBE.

Obrázek 1: Zvýšené průrazné napětí pn přechodu prostřednictvím koimplantace Mg/N

Bylo prokázáno, že společná implantace dusíku (N) s Mg zlepšuje aktivaci Mg dopantů a potlačuje difúzi.Zlepšená aktivace je přisuzována inhibici aglomerace volných míst implantací dusíku, což usnadňuje rekombinaci těchto volných míst při teplotách žíhání nad 1200 °C. Kromě toho volná místa generovaná implantací N omezují difúzi Mg, což má za následek strmější spojení. Tento koncept byl použit k výrobě vertikálních planárních GaN MOSFETů prostřednictvím procesu plné iontové implantace. Specifický odpor při zapnutí (RDSon) 1200V zařízení dosáhl působivých 0,14 Ohmů-mm2. Pokud lze tento proces využít pro výrobu ve velkém měřítku, mohl by být nákladově efektivní a sledovat běžný procesní tok používaný při výrobě planárních vertikálních výkonových MOSFET Si a SiC. Jak ukazuje obrázek 1, použití koimplantačních metod urychluje rozpad pn junkce.

04

Vzhledem k výše uvedeným problémům se doping p-GaN obvykle pěstuje spíše než implantuje do tranzistorů s vysokou pohyblivostí elektronů (HEMT) p-GaN v e-módu. Jednou z aplikací iontové implantace v HEMT je laterální izolace zařízení. Byly zkoušeny různé druhy implantátů, jako je vodík (H), N, železo (Fe), argon (Ar) a kyslík (O). Mechanismus souvisí především s tvorbou pastí spojenou s poškozením. Výhodou této metody ve srovnání s procesy izolace mesa etch je rovinnost zařízení. Obrázek 2-1 popisuje vztah mezi dosaženým odporem izolační vrstvy a teplotou žíhání po implantaci. Jak je znázorněno na obrázku, lze dosáhnout odporu přes 107 Ohmů/sq.

Obrázek 2: Vztah mezi odporem izolační vrstvy a teplotou žíhání po různých implantacích izolace GaN

Ačkoli bylo provedeno několik studií o vytváření n+ Ohmických kontaktů ve vrstvách GaN pomocí implantace křemíku (Si), praktická implementace může být náročná kvůli vysokým koncentracím nečistot a výslednému poškození mřížky.Jednou z motivací pro použití Si implantace je dosažení nízkoodporových kontaktů prostřednictvím Si CMOS kompatibilních procesů nebo následných post-metalových slitin bez použití zlata (Au).

05

V HEMT byla implantace fluoru (F) s nízkou dávkou použita ke zvýšení průrazného napětí (BV) zařízení využitím silné elektronegativity F. Tvorba záporně nabité oblasti na zadní straně 2-stupňového elektronového plynu potlačuje vstřikování elektronů do oblastí s vysokým polem.

Obrázek 3: (a) Dopředné charakteristiky a (b) zpětná IV vertikálního GaN SBD vykazující zlepšení po implantaci F

Další zajímavou aplikací iontové implantace v GaN je použití F implantace ve vertikálních Schottkyho bariérových diodách (SBD). Zde se implantace F provádí na povrchu vedle horního kontaktu anody, aby se vytvořila oblast zakončení hrany s vysokým odporem. Jak je znázorněno na obrázku 3, zpětný proud se sníží o pět řádů, zatímco BV se zvýší.**