Jonų implantavimo technologijos iššūkiai SiC ir GaN maitinimo įrenginiuose

Plataus dažnio juostos (WBG) puslaidininkiai, tokie kaipSilicio karbidas(SiC) irGalio nitridasTikimasi, kad (GaN) vaidins vis svarbesnį vaidmenį galios elektroniniuose įrenginiuose. Jie turi keletą pranašumų, palyginti su tradiciniais silicio (Si) įrenginiais, įskaitant didesnį efektyvumą, galios tankį ir perjungimo dažnį.Jonų implantacijayra pagrindinis metodas selektyviam dopingui pasiekti Si prietaisuose. Tačiau taikant jį plačios pralaidos įrenginiams kyla tam tikrų iššūkių. Šiame straipsnyje mes sutelksime dėmesį į kai kuriuos iš šių iššūkių ir apibendrinsime galimus jų pritaikymus GaN maitinimo įrenginiuose.

01

Praktinį naudojimą lemia keli veiksniaipriemaišų medžiagospuslaidininkinių prietaisų gamyboje:

Maža jonizacijos energija užimtose gardelės vietose. Si turi jonizuojamų seklių donorų (n-tipo dopingui) ir akceptorių (p-tipo legiravimui) elementų. Gilesnis energijos lygis juostos tarpo viduje sukelia prastą jonizaciją, ypač kambario temperatūroje, todėl tam tikros dozės laidumas yra mažesnis. Pirminės medžiagos, kurias galima jonizuoti ir injekuoti į komercinius jonų implantatorius. Gali būti naudojami kietųjų ir dujų šaltinių medžiagų junginiai, o jų praktinis panaudojimas priklauso nuo temperatūros stabilumo, saugumo, jonų susidarymo efektyvumo, gebėjimo pagaminti unikalius jonus masės atskyrimui ir pasiekti norimą energijos implantavimo gylį.

Pradinės medžiagos, kurias galima jonizuoti ir injekuoti į komercinius jonų implantatorius. Gali būti naudojami kietųjų ir dujų šaltinių medžiagų junginiai, o jų praktinis panaudojimas priklauso nuo temperatūros stabilumo, saugumo, jonų susidarymo efektyvumo, gebėjimo pagaminti unikalius jonus masės atskyrimui ir pasiekti norimą energijos implantavimo gylį.

1 lentelė. Įprastos priemaišų rūšys, naudojamos SiC ir GaN maitinimo įrenginiuose

Difuzijos greitis implantuotoje medžiagoje. Didelis difuzijos greitis įprastomis atkaitinimo po implantacijos sąlygomis gali sukelti nekontroliuojamas jungtis ir priedo difuziją į nepageidaujamas prietaiso sritis, dėl to pablogėja įrenginio veikimas.

Suaktyvinimas ir žalos atstatymas. Dopanto aktyvinimas apima laisvų vietų generavimą esant aukštai temperatūrai, leidžiančią implantuotiems jonams pereiti iš intersticinių pozicijų į pakaitines gardelės pozicijas. Pažeidimų atkūrimas yra labai svarbus taisant implantavimo proceso metu susidariusius amorfizacijos ir kristalų defektus.

1 lentelėje išvardytos kai kurios dažniausiai naudojamos priemaišų rūšys ir jų jonizacijos energija gaminant SiC ir GaN įrenginius.

Nors n tipo legiravimas tiek SiC, tiek GaN yra gana paprastas naudojant seklius priedus, pagrindinis iššūkis kuriant p tipo legiravimą per jonų implantavimą yra didelė turimų elementų jonizacijos energija.

02

Kai kurie raktiniai implantai iratkaitinimo charakteristikosGaN apima:

Skirtingai nuo SiC, karšto implantavimo pranašumas, palyginti su kambario temperatūra, nėra reikšmingas.

GaN atveju dažniausiai naudojamas n-tipo priedas Si gali būti ambipolinis, pasižymintis n-tipo ir (arba) p-tipo elgesiu, priklausomai nuo jo užimtumo vietos. Tai gali priklausyti nuo GaN augimo sąlygų ir sukelti dalinį kompensavimo poveikį.

GaN P-dopingas yra sudėtingesnis dėl didelės fono elektronų koncentracijos neleguotame GaN, reikalaujantis didelio magnio (Mg) p tipo priedo kiekio, kad medžiaga būtų paversta p tipo. Tačiau didelės dozės sukelia didelius defektų lygius, dėl kurių nešiklis užfiksuojamas ir kompensuojamas esant gilesniam energijos lygiui, dėl to prastai suaktyvinamas priedas.

GaN skyla esant aukštesnei nei 840°C temperatūrai esant atmosferos slėgiui, dėl to prarandama N ir ant paviršiaus susidaro Ga lašeliai. Buvo naudojamos įvairios greito terminio atkaitinimo (RTA) formos ir apsauginiai sluoksniai, tokie kaip SiO2. Atkaitinimo temperatūra paprastai yra žemesnė (<1500 °C), palyginti su naudojama SiC. Buvo išbandyti keli metodai, tokie kaip aukšto slėgio, kelių ciklų RTA, mikrobangų krosnelės ir lazerio atkaitinimas. Nepaisant to, pasiekti p+ implantacijos kontaktus išlieka iššūkiu.

03

Vertikaliuose Si ir SiC maitinimo įrenginiuose įprastas krašto užbaigimo būdas yra sukurti p tipo dopingo žiedą implantuojant jonus.Jei galima pasiekti selektyvų dopingą, tai taip pat palengvintų vertikalių GaN prietaisų susidarymą. Magnio (Mg) priedo jonų implantavimas susiduria su keliais iššūkiais, o kai kurie iš jų išvardyti toliau.

1. Didelis jonizacijos potencialas (kaip parodyta 1 lentelėje).

2. Implantacijos proceso metu atsiradę defektai gali lemti nuolatinių klasterių susidarymą, dėl kurio gali išsijungti.

3. Įjungimui reikalinga aukšta temperatūra (>1300°C). Tai viršija GaN skilimo temperatūrą, todėl reikalingi specialūs metodai. Vienas sėkmingų pavyzdžių yra ultraaukšto slėgio atkaitinimo (UHPA) naudojimas N2 slėgiu esant 1 GPa. Atkaitinant 1300–1480 °C temperatūroje pasiekiama daugiau nei 70% aktyvacija ir geras paviršiaus nešiklio mobilumas.

4. Esant tokioms aukštoms temperatūroms, magnio difuzija sąveikauja su taškiniais defektais pažeistose srityse, todėl gali susidaryti laipsniškos sankryžos. Mg pasiskirstymo kontrolė p-GaN e-mode HEMT yra pagrindinis iššūkis, net ir naudojant MOCVD arba MBE augimo procesus.

1 pav. Padidėjusi pn sandūros gedimo įtampa dėl Mg/N koimplantacijos

Įrodyta, kad azoto (N) implantavimas kartu su Mg pagerina Mg priedų aktyvavimą ir slopina difuziją.Patobulintas aktyvinimas priskiriamas laisvų darbo vietų aglomeracijos slopinimui implantuojant N, o tai palengvina šių laisvų darbo vietų rekombinaciją esant aukštesnei nei 1200 ° C temperatūrai. Be to, laisvos vietos, kurias sukuria N implantacija, riboja Mg difuziją, todėl sankryžos yra statesnės. Ši koncepcija buvo naudojama gaminant vertikalius plokštuminius GaN MOSFET per visą jonų implantavimo procesą. 1200 V įrenginio savitoji įjungimo varža (RDSon) pasiekė įspūdingą 0,14 omo mm2. Jei šis procesas gali būti naudojamas didelio masto gamybai, jis gali būti ekonomiškas ir laikytis bendro proceso srauto, naudojamo Si ir SiC plokščiosios vertikalios galios MOSFET gamyboje. Kaip parodyta 1 paveiksle, koimplantacijos metodų naudojimas pagreitina pn sandūros suskaidymą.

04

Dėl pirmiau minėtų problemų p-GaN dopingas paprastai auginamas, o ne implantuojamas į p-GaN e-mode didelio elektronų mobilumo tranzistorius (HEMT). Vienas iš jonų implantavimo HEMT taikymo būdų yra šoninis įrenginio izoliavimas. Buvo bandoma naudoti įvairias implantų rūšis, tokias kaip vandenilis (H), N, geležis (Fe), argonas (Ar) ir deguonis (O). Mechanizmas daugiausia susijęs su spąstų formavimu, susijusiu su žala. Šio metodo pranašumas, lyginant su mesa etch izoliavimo procesais, yra įrenginio plokštumas. 2-1 paveiksle parodytas ryšys tarp pasiekto izoliacinio sluoksnio atsparumo ir atkaitinimo temperatūros po implantacijos. Kaip parodyta paveikslėlyje, galima pasiekti daugiau nei 107 omų/kv. varžą.

2 pav. Ryšys tarp izoliacinio sluoksnio atsparumo ir atkaitinimo temperatūros po įvairių GaN izoliacijos implantacijų

Nors buvo atlikti keli tyrimai, kaip sukurti n+ ominius kontaktus GaN sluoksniuose naudojant silicio (Si) implantaciją, praktinis įgyvendinimas gali būti sudėtingas dėl didelės priemaišų koncentracijos ir dėl to atsirandančio grotelių pažeidimo.Viena iš Si implantacijos motyvų yra pasiekti mažo atsparumo kontaktus naudojant Si CMOS suderinamus procesus arba vėlesnius po metalo lydinio procesus nenaudojant aukso (Au).

05

HEMT mažos dozės fluoro (F) implantavimas buvo naudojamas siekiant padidinti prietaisų gedimo įtampą (BV), naudojant stiprų F elektronegatyvumą. Neigiamai įkrautos srities susidarymas 2 laipsnių elektronų dujų gale slopina elektronų įpurškimą į didelio lauko sritis.

3 paveikslas: (a) Priekinės charakteristikos ir (b) Vertikalaus GaN SBD atvirkštinė IV, rodanti pagerėjimą po F implantacijos

Kitas įdomus jonų implantavimo taikymas GaN yra F implantacijos naudojimas vertikaliuose Schottky barjeriniuose dioduose (SBD). Čia F implantacija atliekama ant paviršiaus, esančio šalia viršutinio anodo kontakto, kad būtų sukurta didelio atsparumo krašto užbaigimo sritis. Kaip parodyta 3 paveiksle, atvirkštinė srovė sumažinama penkiomis eilėmis, o BV padidėja.**