Utfordringer ved ionimplantasjonsteknologi i SiC og GaN Power Devices

Bredt båndgap (WBG) halvledere som f.eksSilisiumkarbid(SiC) ogGalliumnitrid(GaN) forventes å spille en stadig viktigere rolle i kraftelektroniske enheter. De tilbyr flere fordeler i forhold til tradisjonelle silisium (Si)-enheter, inkludert høyere effektivitet, strømtetthet og byttefrekvens.Ioneimplantasjoner den primære metoden for å oppnå selektiv doping i Si-enheter. Det er imidlertid noen utfordringer når du bruker det på enheter med brede båndgap. I denne artikkelen vil vi fokusere på noen av disse utfordringene og oppsummere deres potensielle anvendelser i GaN-kraftenheter.

01

Flere faktorer bestemmer den praktiske bruken avdopingmaterialeri produksjon av halvlederenheter:

Lav ioniseringsenergi i de okkuperte gitterstedene. Si har ioniserbare grunne donorer (for n-type doping) og akseptorer (for p-type doping) elementer. De dypere energinivåene i båndgapet resulterer i dårlig ionisering, spesielt ved romtemperatur, noe som fører til lavere ledningsevne for en gitt dose. Kildematerialer ioniserbare og injiserbare i kommersielle ioneimplantater. Sammensetninger av faste og gasskilder kan brukes, og deres praktiske bruk avhenger av temperaturstabilitet, sikkerhet, ionegenereringseffektivitet, evne til å produsere unike ioner for masseseparasjon og oppnå ønsket energiimplantasjonsdybde.

Kildematerialer ioniserbare og injiserbare i kommersielle ioneimplantater. Sammensetninger av faste og gasskilder kan brukes, og deres praktiske bruk avhenger av temperaturstabilitet, sikkerhet, ionegenereringseffektivitet, evne til å produsere unike ioner for masseseparasjon og oppnå ønsket energiimplantasjonsdybde.

Tabell 1: Vanlige dopingarter brukt i SiC- og GaN-kraftenheter

Diffusjonshastigheter i det implanterte materialet. Høye diffusjonshastigheter under normale utglødningsforhold etter implantasjon kan føre til ukontrollerte koblinger og dopingmiddeldiffusjon til uønskede områder av enheten, noe som resulterer i svekket enhetsytelse.

Aktivering og skadegjenoppretting. Aktivering av dopant innebærer å generere ledige plasser ved høye temperaturer, slik at de implanterte ionene kan bevege seg fra interstitielle posisjoner til substitusjonelle gitterposisjoner. Skadegjenoppretting er avgjørende for å reparere amorfisering og krystalldefekter som oppstår under implantasjonsprosessen.

Tabell 1 viser noen ofte brukte dopingarter og deres ioniseringsenergier i produksjon av SiC- og GaN-enheter.

Mens n-type doping i både SiC og GaN er relativt enkelt med grunne dopingmidler, er en nøkkelutfordring i å skape p-type doping gjennom ioneimplantasjon den høye ioniseringsenergien til tilgjengelige elementer.

02

Noen nøkkelimplantasjon ogutglødningsegenskaperav GaN inkluderer:

I motsetning til SiC er det ingen vesentlig fordel ved å bruke varm implantasjon sammenlignet med romtemperatur.

For GaN kan det ofte brukte n-type dopestoffet Si være ambipolar, og vise n-type og/eller p-type oppførsel avhengig av dets okkupasjonssted. Dette kan avhenge av GaN-vekstforhold og føre til delvise kompensasjonseffekter.

P-doping av GaN er mer utfordrende på grunn av den høye bakgrunnselektronkonsentrasjonen i udopet GaN, som krever høye nivåer av magnesium (Mg) p-type dopemiddel for å omdanne materialet til p-type. Høye doser resulterer imidlertid i høye nivåer av defekter, noe som fører til bærerfangst og kompensasjon ved dypere energinivåer, noe som resulterer i dårlig dopantaktivering.

GaN brytes ned ved temperaturer høyere enn 840°C under atmosfæretrykk, noe som fører til N-tap og dannelse av Ga-dråper på overflaten. Ulike former for rask termisk utglødning (RTA) og beskyttende lag som SiO2 har blitt brukt. Utglødningstemperaturer er vanligvis lavere (<1500°C) sammenlignet med de som brukes for SiC. Flere metoder som høytrykk, flersyklus RTA, mikrobølgeovn og lasergløding har blitt forsøkt. Likevel er det fortsatt en utfordring å oppnå p+ implantasjonskontakter.

03

I vertikale Si- og SiC-kraftenheter er en vanlig tilnærming for kantterminering å lage en p-type dopingring gjennom ioneimplantasjon.Hvis selektiv doping kan oppnås, vil det også lette dannelsen av vertikale GaN-enheter. Magnesium (Mg) dopantionimplantasjon står overfor flere utfordringer, og noen av dem er listet opp nedenfor.

1. Høyt ioniseringspotensial (som vist i tabell 1).

2. Defekter generert under implantasjonsprosessen kan føre til dannelse av permanente klynger som forårsaker deaktivering.

3. Høye temperaturer (>1300°C) kreves for aktivering. Dette overskrider nedbrytningstemperaturen til GaN, noe som krever spesielle metoder. Et vellykket eksempel er bruken av ultrahøytrykksgløding (UHPA) med N2-trykk på 1 GPa. Gløding ved 1300-1480°C oppnår over 70 % aktivering og viser god overflatebærermobilitet.

4. Ved disse høye temperaturene samhandler magnesiumdiffusjon med punktdefekter i de skadede områdene, noe som kan resultere i graderte kryss. Kontroll av Mg-distribusjon i p-GaN e-mode HEMT-er er en nøkkelutfordring, selv når man bruker MOCVD- eller MBE-vekstprosesser.

Figur 1: Økt pn-kryss nedbrytningsspenning gjennom Mg/N co-implantasjon

Samtidig implantering av nitrogen (N) med Mg har vist seg å forbedre aktiveringen av Mg-dopanter og undertrykke diffusjon.Den forbedrede aktiveringen tilskrives inhibering av agglomerering av ledige stillinger ved N-implantasjon, noe som letter rekombinasjonen av disse ledige stillingene ved utglødningstemperaturer over 1200 °C. I tillegg begrenser de ledige plassene generert av N-implantasjon diffusjonen av Mg, noe som resulterer i brattere veikryss. Dette konseptet har blitt brukt til å produsere vertikale plane GaN MOSFET-er gjennom en full ioneimplantasjonsprosess. Den spesifikke på-motstanden (RDSon) til 1200V-enheten nådde imponerende 0,14 Ohms-mm2. Hvis denne prosessen kan brukes til storskala produksjon, kan den være kostnadseffektiv og følge den vanlige prosessflyten som brukes i Si og SiC plan vertikal kraft MOSFET fabrikasjon. Som vist i figur 1, akselererer bruken av co-implantasjonsmetoder sammenbrudd av pn-krysset.

04

På grunn av de nevnte problemene, dyrkes p-GaN-doping vanligvis i stedet for å implanteres i p-GaN e-mode transistorer med høy elektronmobilitet (HEMT). En anvendelse av ioneimplantasjon i HEMT-er er lateral enhetsisolering. Ulike implantatarter, som hydrogen (H), N, jern (Fe), argon (Ar) og oksygen (O), har blitt forsøkt. Mekanismen er hovedsakelig knyttet til felledannelse forbundet med skade. Fordelen med denne metoden sammenlignet med mesa-etsingsisolasjonsprosesser er enhetens flathet. Figur 2-1 beskriver forholdet mellom oppnådd motstand mot isolasjonslag og glødetemperaturen etter implantasjon. Som vist på figuren kan motstander på over 107 Ohm/kvadrat oppnås.

Figur 2: Forholdet mellom isolasjonslagets motstand og glødetemperaturen etter forskjellige GaN-isolasjonsimplantasjoner

Selv om flere studier har blitt utført på å lage n+ ohmske kontakter i GaN-lag ved bruk av silisium (Si) implantasjon, kan praktisk implementering være utfordrende på grunn av høye urenhetskonsentrasjoner og resulterende gitterskader.En motivasjon for å bruke Si-implantasjon er å oppnå lavmotstandskontakter gjennom Si CMOS-kompatible prosesser eller påfølgende post-metalllegeringsprosesser uten bruk av gull (Au).

05

I HEMT-er har lavdose-fluor (F)-implantasjon blitt brukt for å øke sammenbruddsspenningen (BV) til enheter ved å utnytte Fs sterke elektronegativitet. Dannelsen av et negativt ladet område på baksiden av 2-graders elektrongassen undertrykker injeksjonen av elektroner i høyfeltsområder.

Figur 3: (a) Forover-karakteristikk og (b) revers IV av vertikal GaN SBD som viser forbedring etter F-implantasjon

En annen interessant anvendelse av ioneimplantasjon i GaN er bruken av F-implantasjon i vertikale Schottky Barrier Diodes (SBDs). Her utføres F-implantasjon på overflaten ved siden av den øverste anodekontakten for å skape et kantavslutningsområde med høy motstand. Som vist i figur 3 reduseres reversstrømmen med fem størrelsesordener, mens BV økes.**