Изазови технологије јонске имплантације у СиЦ и ГаН енергетским уређајима

Полупроводници са широким појасом (ВБГ) као нпрСилицијум карбид(СиЦ) иГаллиум НитридеОчекује се да ће (ГаН) играти све важнију улогу у енергетским електронским уређајима. Они нуде неколико предности у односу на традиционалне силиконске (Си) уређаје, укључујући већу ефикасност, густину снаге и фреквенцију пребацивања.Ионска имплантацијаје примарни метод за постизање селективног допинга у Си уређајима. Међутим, постоје неки изазови када се примењује на уређаје са широким појасом. У овом чланку ћемо се фокусирати на неке од ових изазова и сумирати њихове потенцијалне примене у ГаН енергетским уређајима.

01

Неколико фактора одређује практичну употребудопант материјалиу производњи полупроводничких уређаја:

Ниска енергија јонизације у заузетим местима решетке. Си има јонизујуће плитке доноре (за допирање н-типа) и акцепторе (за допирање п-типа) елементе. Дубљи енергетски нивои унутар појасног размака резултирају лошом јонизацијом, посебно на собној температури, што доводи до ниже проводљивости за дату дозу. Изворни материјали који се јонизују и могу ињектирати у комерцијалним јонским имплантаторима. Могу се користити једињења чврстих и гасних материјала, а њихова практична употреба зависи од температурне стабилности, сигурности, ефикасности генерисања јона, способности да се произведу јединствени јони за раздвајање масе и постижу жељену дубину имплантације енергије.

Изворни материјали који се јонизују и убризгавају у комерцијалне јонске имплантате. Могу се користити једињења чврстих и гасних материјала, а њихова практична употреба зависи од температурне стабилности, сигурности, ефикасности генерисања јона, способности да се произведу јединствени јони за раздвајање масе и постижу жељену дубину имплантације енергије.

Табела 1: Уобичајене врсте додатака које се користе у СиЦ и ГаН енергетским уређајима

Брзине дифузије унутар имплантираног материјала. Високе стопе дифузије под нормалним условима жарења након имплантације могу довести до неконтролисаних спојева и дифузије допанта у нежељена подручја уређаја, што резултира смањеним перформансама уређаја.

Активација и опоравак штете. Активација допанта укључује стварање слободних места на високим температурама, омогућавајући имплантираним јонима да се померају са интерстицијалних позиција на положаје супституцијске решетке. Опоравак оштећења је кључан за поправку аморфизације и кристалних дефеката насталих током процеса имплантације.

Табела 1 наводи неке најчешће коришћене врсте додатака и њихове енергије јонизације у производњи СиЦ и ГаН уређаја.

Док је допирање н-типа у СиЦ и ГаН релативно једноставно са плитким додацима, кључни изазов у ​​стварању допинга п-типа кроз имплантацију јона је висока енергија јонизације доступних елемената.

02

Неке кључне имплантације икарактеристике жарењаод ГаН укључују:

За разлику од СиЦ, не постоји значајна предност у коришћењу вруће имплантације у поређењу са собном температуром.

За ГаН, обично коришћени допант н-типа Си може бити амбиполаран, показујући понашање н-типа и/или п-типа у зависности од места где се налази. Ово може зависити од услова раста ГаН и довести до делимичних ефеката компензације.

П-допирање ГаН-а је изазовније због високе позадинске концентрације електрона у недопираном ГаН-у, што захтева висок ниво магнезијума (Мг) п-типа допанта да би се материјал претворио у п-тип. Међутим, високе дозе резултирају високим нивоима дефеката, што доводи до хватања носача и компензације на дубљим нивоима енергије, што резултира лошом активацијом допанта.

ГаН се разлаже на температурама вишим од 840°Ц под атмосферским притиском, што доводи до губитка Н и формирања капљица Га на површини. Коришћени су различити облици брзог термичког жарења (РТА) и заштитни слојеви као што је СиО2. Температуре жарења су обично ниже (<1500°Ц) у поређењу са онима које се користе за СиЦ. Покушано је неколико метода као што су високопритисни, вишециклични РТА, микроталасна пећница и ласерско жарење. Ипак, постизање п+ имплантационих контаката остаје изазов.

03

У вертикалним Си и СиЦ енергетским уређајима, уобичајен приступ за завршетак ивице је стварање допинг прстена п-типа кроз имплантацију јона.Ако се може постићи селективни допинг, то би такође олакшало формирање вертикалних ГаН уређаја. Имплантација допантних јона магнезијума (Мг) суочава се са неколико изазова, а неки од њих су наведени у наставку.

1. Висок потенцијал јонизације (као што је приказано у табели 1).

2. Дефекти настали током процеса имплантације могу довести до стварања трајних кластера, узрокујући деактивацију.

3. За активацију су потребне високе температуре (>1300°Ц). Ово премашује температуру разлагања ГаН, што захтева посебне методе. Један успешан пример је употреба жарења ултра-високог притиска (УХПА) са притиском Н2 на 1 ГПа. Жарење на 1300-1480°Ц постиже преко 70% активације и показује добру покретљивост површинског носача.

4. На овим високим температурама, дифузија магнезијума интерагује са тачкастим дефектима у оштећеним регионима, што може резултирати степенастим спојевима. Контрола дистрибуције Мг у п-ГаН е-моде ХЕМТ-овима је кључни изазов, чак и када се користе МОЦВД или МБЕ процеси раста.

Слика 1: Повећани напон пробоја пн споја кроз коимплантацију Мг/Н

Показало се да ко-имплантација азота (Н) са Мг побољшава активацију Мг додатака и потискује дифузију.Побољшана активација се приписује инхибицији агломерације празнина имплантацијом Н, што олакшава рекомбинацију ових слободних места на температурама жарења изнад 1200 ° Ц. Поред тога, слободна места настала имплантацијом Н ограничавају дифузију Мг, што резултира стрмијим спојевима. Овај концепт је коришћен за производњу вертикалних планарних ГаН МОСФЕТ-ова кроз процес пуне јонске имплантације. Специфични отпор укључивања (РДСон) уређаја од 1200В достигао је импресивних 0,14 Охмс-мм2. Ако се овај процес може користити за производњу великих размера, могао би бити исплатив и пратити уобичајени ток процеса који се користи у производњи Си и СиЦ планарних вертикалних МОСФЕТ-ова снаге. Као што је приказано на слици 1, употреба метода коимплантације убрзава квар пн споја.

04

Због горе поменутих проблема, п-ГаН допинг се обично узгаја, а не имплантира у транзисторе високе покретљивости електрона (ХЕМТ) у п-ГаН е-моде. Једна примена имплантације јона у ХЕМТ-има је изолација бочног уређаја. Покушане су различите врсте имплантата, као што су водоник (Х), Н, гвожђе (Фе), аргон (Ар) и кисеоник (О). Механизам се углавном односи на формирање замки повезаних са оштећењем. Предност ове методе у поређењу са процесима изолације меса јеткањем је равност уређаја. Слика 2-1 описује однос између постигнуте отпорности изолационог слоја и температуре жарења након имплантације. Као што је приказано на слици, могу се постићи отпори од преко 107 Охма/ск.

Слика 2: Однос између отпорности изолационог слоја и температуре жарења након различитих имплантација ГаН изолације

Иако је спроведено неколико студија о стварању н+ омских контаката у ГаН слојевима коришћењем имплантације силицијума (Си), практична примена може бити изазовна због високих концентрација нечистоћа и резултујућих оштећења решетке.Једна мотивација за коришћење Си имплантације је постизање контаката ниског отпора кроз Си ЦМОС компатибилне процесе или накнадне процесе пост-металне легуре без употребе злата (Ау).

05

У ХЕМТ-има, имплантација ниске дозе флуора (Ф) је коришћена за повећање напона пробоја (БВ) уређаја коришћењем јаке електронегативности Ф. Формирање негативно наелектрисаног региона на задњој страни електронског гаса од 2-ДЕГ потискује убризгавање електрона у регионе високог поља.

Слика 3: (а) Предње карактеристике и (б) реверс ИВ вертикалног ГаН СБД-а показују побољшање након Ф имплантације

Још једна занимљива примена јонске имплантације у ГаН је употреба Ф имплантације у вертикалним диодама Шоткијеве баријере (СБД). Овде се Ф имплантација изводи на површини поред горњег контакта аноде да би се створио крај крајњег краја ивице високог отпора. Као што је приказано на слици 3, реверзна струја је смањена за пет редова величине, док је БВ повећан.**