Предизвикателства на технологията за йонна имплантация в SiC и GaN захранващи устройства

Широколентови полупроводници (WBG) като напрСилициев карбид(SiC) иГалиев нитрид(GaN) се очаква да играят все по-важна роля в силови електронни устройства. Те предлагат няколко предимства пред традиционните силиконови (Si) устройства, включително по-висока ефективност, плътност на мощността и честота на превключване.Йонна имплантацияе основният метод за постигане на селективен допинг в Si устройства. Има обаче някои предизвикателства при прилагането му към устройства с широка лента. В тази статия ще се съсредоточим върху някои от тези предизвикателства и ще обобщим техните потенциални приложения в GaN захранващи устройства.

01

Няколко фактора определят практическото използване надобавъчни материалив производството на полупроводникови устройства:

Ниска енергия на йонизация в заетите места на решетката. Si има йонизиращи се плитки донори (за n-тип допинг) и акцептори (за p-тип допинг) елементи. По-дълбоките енергийни нива в рамките на забранената лента водят до лоша йонизация, особено при стайна температура, което води до по-ниска проводимост за дадена доза. Изходните материали могат да се йонизират и инжектират в търговски йонни имплантанти. Могат да се използват съединения на твърди и газови източници на материали и тяхното практическо използване зависи от температурната стабилност, безопасността, ефективността на генериране на йони, способността да се произвеждат уникални йони за масово разделяне и да се постигне желаната дълбочина на имплантиране на енергия.

Изходните материали могат да се йонизират и инжектират в търговски йонни имплантанти. Могат да се използват съединения на твърди и газови източници на материали и тяхното практическо използване зависи от температурната стабилност, безопасността, ефективността на генериране на йони, способността да се произвеждат уникални йони за масово разделяне и да се постигне желаната дълбочина на имплантиране на енергия.

Таблица 1: Често срещани видове добавки, използвани в SiC и GaN захранващи устройства

Скорости на дифузия в имплантирания материал. Високите скорости на дифузия при нормални условия на отгряване след имплантиране могат да доведат до неконтролирани съединения и дифузия на добавка в нежелани зони на устройството, което води до влошена производителност на устройството.

Активиране и възстановяване на щети. Активирането на добавка включва генериране на празни места при високи температури, което позволява на имплантираните йони да се преместят от интерстициални позиции към позиции на заместваща решетка. Възстановяването на щетите е от решаващо значение за поправянето на аморфизация и кристални дефекти, създадени по време на процеса на имплантиране.

Таблица 1 изброява някои често използвани видове добавки и техните йонизационни енергии при производството на SiC и GaN устройства.

Докато допирането от n-тип както в SiC, така и в GaN е сравнително лесно с плитки добавки, ключово предизвикателство при създаването на допинг от p-тип чрез имплантиране на йони е високата йонизационна енергия на наличните елементи.

02

Някакво имплантиране на ключове ихарактеристики на отгряванена GaN включват:

За разлика от SiC, няма значително предимство при използването на гореща имплантация в сравнение със стайна температура.

За GaN, често използваната добавка от n-тип Si може да бъде амбиполярна, проявяваща поведение от n-тип и/или p-тип в зависимост от мястото на заемане. Това може да зависи от условията на растеж на GaN и да доведе до частични компенсационни ефекти.

P-допирането на GaN е по-предизвикателно поради високата фонова концентрация на електрони в нелегирания GaN, изискващи високи нива на магнезий (Mg) p-тип добавка за превръщане на материала в p-тип. Високите дози обаче водят до високи нива на дефекти, водещи до улавяне на носителя и компенсиране на по-дълбоки енергийни нива, което води до лошо активиране на добавката.

GaN се разлага при температури по-високи от 840°C под атмосферно налягане, което води до загуба на N и образуване на капчици Ga на повърхността. Използвани са различни форми на бързо термично отгряване (RTA) и защитни слоеве като SiO2. Температурите на отгряване обикновено са по-ниски (<1500°C) в сравнение с тези, използвани за SiC. Опитани са няколко метода като високо налягане, многоцикличен RTA, микровълнова печка и лазерно отгряване. Независимо от това, постигането на p+ имплантационни контакти остава предизвикателство.

03

Във вертикалните захранващи устройства със Si и SiC, общ подход за завършване на ръба е да се създаде p-тип легиращ пръстен чрез имплантиране на йони.Ако може да се постигне селективно допиране, това също би улеснило формирането на вертикални GaN устройства. Имплантирането на магнезиеви (Mg) допантни йони е изправено пред няколко предизвикателства и някои от тях са изброени по-долу.

1. Висок йонизационен потенциал (както е показано в таблица 1).

2. Дефектите, генерирани по време на процеса на имплантиране, могат да доведат до образуването на постоянни клъстери, причинявайки деактивиране.

3. За активиране са необходими високи температури (>1300°C). Това надвишава температурата на разлагане на GaN, което налага специални методи. Един успешен пример е използването на отгряване при свръхвисоко налягане (UHPA) с налягане на N2 при 1 GPa. Отгряването при 1300-1480°C постига над 70% активиране и показва добра подвижност на повърхностния носител.

4. При тези високи температури магнезиевата дифузия взаимодейства с точковите дефекти в увредените области, което може да доведе до градуирани връзки. Контролът на разпределението на Mg в p-GaN електронни режими HEMTs е ключово предизвикателство, дори когато се използват MOCVD или MBE процеси на растеж.

Фигура 1: Повишено напрежение на пробив на pn преход чрез коимплантиране на Mg/N

Доказано е, че съвместното имплантиране на азот (N) с Mg подобрява активирането на добавки Mg и потиска дифузията.Подобреното активиране се дължи на инхибирането на агломерацията на празни места чрез имплантиране на N, което улеснява рекомбинирането на тези свободни места при температури на отгряване над 1200 ° C. Освен това, свободните места, генерирани от имплантирането на N, ограничават дифузията на Mg, което води до по-стръмни кръстовища. Тази концепция е използвана за производство на вертикални равнинни GaN MOSFET чрез процес на пълно йонно имплантиране. Специфичното съпротивление при включване (RDSon) на устройството 1200V достигна впечатляващите 0,14 Ohms-mm2. Ако този процес може да се използва за широкомащабно производство, той би могъл да бъде рентабилен и да следва общия поток на процеса, използван при производството на Si и SiC планарни вертикални мощни MOSFET. Както е показано на фигура 1, използването на методи за съвместна имплантация ускорява разрушаването на pn прехода.

04

Поради гореспоменатите проблеми, p-GaN допингът обикновено се отглежда, а не се имплантира в p-GaN транзистори с висока подвижност на електрони (HEMTs) в е-режим. Едно приложение на йонна имплантация в HEMTs е страничната изолация на устройството. Опитани са различни видове импланти, като водород (H), N, желязо (Fe), аргон (Ar) и кислород (O). Механизмът е свързан главно с образуването на капан, свързан с повреда. Предимството на този метод в сравнение с процесите на изолиране с меза ецване е плоскостта на устройството. Фигура 2-1 описва връзката между постигнатото съпротивление на изолационния слой и температурата на отгряване след имплантиране. Както е показано на фигурата, могат да бъдат постигнати съпротивления от над 107 ома/кв.

Фигура 2: Връзка между съпротивлението на изолационния слой и температурата на отгряване след различни изолационни имплантации на GaN

Въпреки че са проведени няколко проучвания за създаване на n+ омични контакти в GaN слоеве чрез имплантиране на силиций (Si), практическото прилагане може да бъде предизвикателство поради високите концентрации на примеси и произтичащото от това увреждане на решетката.Една мотивация за използване на Si имплантиране е да се постигнат контакти с ниско съпротивление чрез Si CMOS съвместими процеси или последващи процеси след метални сплави без използването на злато (Au).

05

В HEMTs имплантирането на ниска доза флуор (F) е използвано за увеличаване на пробивното напрежение (BV) на устройства чрез използване на силната електроотрицателност на F. Образуването на отрицателно заредена област от задната страна на 2-DEG електронния газ потиска инжектирането на електрони в региони с високо поле.

Фигура 3: (a) Прави характеристики и (b) обратен IV на вертикален GaN SBD, показващ подобрение след F имплантиране

Друго интересно приложение на йонна имплантация в GaN е използването на F имплантиране във вертикални бариерни диоди на Шотки (SBD). Тук F имплантирането се извършва на повърхността до горния контакт на анода, за да се създаде краен регион с високо съпротивление. Както е показано на фигура 3, обратният ток се намалява с пет порядъка, докато BV се увеличава.**