Tantangan Teknologi Implantasi Ion ing Piranti Daya SiC lan GaN

Wide bandgap (WBG) semikonduktor kayataSilicon Carbide Kab(SiC) lanGallium Nitride(GaN) wis samesthine kanggo muter peran saya penting ing piranti elektronik daya. Dheweke nawakake sawetara kaluwihan tinimbang piranti Silicon (Si) tradisional, kalebu efisiensi sing luwih dhuwur, Kapadhetan daya, lan frekuensi ngalih.implantasi ionminangka cara utami kanggo nggayuh doping selektif ing piranti Si. Nanging, ana sawetara tantangan nalika nglamar menyang piranti bandgap sudhut. Ing artikel iki, kita bakal fokus ing sawetara tantangan kasebut lan ngringkes aplikasi potensial ing piranti daya GaN.

01

Sawetara faktor nemtokake panggunaan praktis sakabahan dopaning manufaktur piranti semikonduktor:

Energi ionisasi sing sithik ing situs kisi sing dikuwasani. Si nduweni donor cethek sing bisa diionisasi (kanggo doping-n) lan unsur akseptor (kanggo doping-p). Tingkat energi sing luwih jero ing celah pita nyebabake ionisasi sing ora apik, utamane ing suhu kamar, sing nyebabake konduktivitas sing luwih murah kanggo dosis tartamtu. Bahan sumber sing bisa diionisasi lan disuntikake ing implanter ion komersial. Senyawa bahan sumber padhet lan gas bisa digunakake, lan panggunaan praktis gumantung marang stabilitas suhu, safety, efisiensi generasi ion, kemampuan kanggo ngasilake ion unik kanggo pamisahan massa, lan entuk ambane implantasi energi sing dikarepake.

Bahan sumber sing bisa diionisasi lan disuntikake ing implanter ion komersial. Senyawa bahan sumber padhet lan gas bisa digunakake, lan panggunaan praktis gumantung marang stabilitas suhu, safety, efisiensi generasi ion, kemampuan kanggo ngasilake ion unik kanggo pamisahan massa, lan entuk ambane implantasi energi sing dikarepake.

Tabel 1: Spesies dopan sing umum digunakake ing piranti daya SiC lan GaN

Tingkat panyebaran ing materi sing ditanem. Tingkat panyebaran dhuwur ing kahanan anil pasca-implan normal bisa nyebabake persimpangan sing ora bisa dikendhaleni lan difusi dopan menyang wilayah sing ora dikarepake ing piranti, sing nyebabake kinerja piranti rusak.

Aktifake lan Recovery karusakan. Aktivasi dopant melu nggawe lowongan ing suhu dhuwur, ngidini ion sing ditanem bisa pindhah saka posisi interstisial menyang posisi kisi substitusi. Pemulihan karusakan penting kanggo ndandani amorfisasi lan cacat kristal sing digawe sajrone proses implantasi.

Tabel 1 nampilake sawetara spesies dopan sing umum digunakake lan energi ionisasi ing manufaktur piranti SiC lan GaN.

Nalika doping tipe-n ing SiC lan GaN relatif langsung karo dopan cethek, tantangan utama kanggo nggawe doping tipe-p liwat implantasi ion yaiku energi ionisasi sing dhuwur saka unsur sing kasedhiya.

02

Sawetara implantasi tombol lankarakteristik annealingsaka GaN kalebu:

Ora kaya SiC, ora ana kauntungan sing signifikan nalika nggunakake implantasi panas dibandhingake karo suhu kamar.

Kanggo GaN, dopant tipe-n sing umum digunakake bisa ambipolar, nuduhake prilaku tipe-n lan / utawa p-jinis gumantung saka situs pendhudhukan. Iki bisa uga gumantung ing kahanan wutah GaN lan nyebabake efek ganti rugi parsial.

P-doping saka GaN luwih tantangan amarga konsentrasi elektron latar mburi dhuwur ing GaN undoped, mbutuhake tingkat dhuwur saka Magnesium (Mg) p-jinis dopant kanggo ngowahi materi menyang p-jinis. Nanging, dosis dhuwur nyebabake tingkat cacat sing dhuwur, sing nyebabake panangkepan operator lan ganti rugi ing tingkat energi sing luwih jero, nyebabake aktivasi dopan sing ora apik.

GaN decomposes ing suhu luwih saka 840 ° C ing tekanan atmosfer, anjog kanggo mundhut N lan tatanan saka tetesan Ga ing lumahing. Macem-macem wujud rapid thermal annealing (RTA) lan lapisan pelindung kayata SiO2 wis digunakake. Suhu anil biasane luwih murah (<1500°C) dibandhingake karo sing digunakake kanggo SiC. Sawetara cara kayata tekanan dhuwur, multi-siklus RTA, gelombang mikro, lan anil laser wis dicoba. Nanging, nggayuh kontak implantasi p+ tetep dadi tantangan.

03

Ing piranti daya vertikal Si lan SiC, pendekatan umum kanggo mandap pinggiran kanggo nggawe ring doping p-jinis liwat implantasi ion.Yen doping selektif bisa digayuh, uga bakal nggampangake pambentukan piranti GaN vertikal. Implantasi ion dopan Magnesium (Mg) ngadhepi sawetara tantangan, lan sawetara sing kapacak ing ngisor iki.

1. Potensi ionisasi dhuwur (kaya sing ditampilake ing Tabel 1).

2. Cacat sing diasilake sajrone proses implantasi bisa nyebabake pembentukan kluster permanen, nyebabake deaktivasi.

3. Suhu dhuwur (> 1300 ° C) dibutuhake kanggo aktivasi. Iki ngluwihi suhu dekomposisi GaN, mbutuhake cara khusus. Salah sawijining conto sing sukses yaiku nggunakake ultra-high pressure annealing (UHPA) kanthi tekanan N2 ing 1 GPa. Annealing ing 1300-1480 ° C entuk luwih saka 70% aktivasi lan nuduhake mobilitas operator permukaan sing apik.

4. Ing suhu dhuwur iki, difusi magnesium berinteraksi karo cacat titik ing wilayah sing rusak, sing bisa nyebabake persimpangan bertingkat. Kontrol distribusi Mg ing HEMT e-mode p-GaN minangka tantangan utama, sanajan nggunakake proses pertumbuhan MOCVD utawa MBE.

Figure 1: Tambah pn junction breakdown voltase liwat Mg / N co-implantation

Co-implantasi nitrogen (N) karo Mg wis ditampilake nambah aktivasi dopan Mg lan nyuda difusi.Aktivasi sing luwih apik digandhengake karo inhibisi aglomerasi lowongan dening implantasi N, sing ndadekake rekombinasi lowongan kasebut ing suhu anil ing ndhuwur 1200 ° C. Kajaba iku, lowongan sing diasilake dening implantasi N mbatesi difusi Mg, nyebabake persimpangan sing luwih curam. Konsep iki wis digunakake kanggo nggawe MOSFET GaN planar vertikal liwat proses implantasi ion lengkap. Rintangan khusus (RDSon) piranti 1200V tekan 0,14 Ohms-mm2 sing nyengsemaken. Yen proses iki bisa digunakake kanggo manufaktur skala gedhe, bisa uga biaya-efektif lan tindakake aliran proses umum digunakake ing Si lan SiC planar daya vertikal MOSFET pabrikan. Minangka ditampilake ing Figure 1, nggunakake cara co-implantation accelerates pn junction breakdown.

04

Amarga masalah kasebut, doping p-GaN biasane ditanam tinimbang ditanem ing transistor mobilitas elektron dhuwur (HEMTs) p-GaN e-mode. Salah sawijining aplikasi implantasi ion ing HEMT yaiku isolasi piranti lateral. Macem-macem spesies implan, kayata hidrogen (H), N, wesi (Fe), argon (Ar), lan oksigen (O), wis dicoba. Mekanisme kasebut utamane ana gandhengane karo pembentukan jebakan sing ana gandhengane karo karusakan. Kauntungan saka metode iki dibandhingake karo proses isolasi etch mesa yaiku flatness piranti. Figure 2-1 nggambarake hubungan antarane resistance lapisan isolasi ngrambah lan suhu anil sawise implantasi. Kaya sing dituduhake ing gambar kasebut, resistensi luwih saka 107 Ohms / sq bisa digayuh.

Gambar 2: Hubungan antarane resistensi lapisan isolasi lan suhu anil sawise macem-macem implantasi isolasi GaN

Sanajan sawetara panaliten wis ditindakake kanggo nggawe kontak n + Ohmic ing lapisan GaN nggunakake implantasi silikon (Si), implementasi praktis bisa dadi tantangan amarga konsentrasi impurity sing dhuwur lan nyebabake karusakan kisi.Salah sawijining motivasi kanggo nggunakake implantasi Si yaiku kanggo nggayuh kontak resistensi rendah liwat pangolahan sing cocog karo Si CMOS utawa proses paduan pasca-logam sakteruse tanpa nggunakake emas (Au).

05

Ing HEMTs, implantasi fluorine (F) dosis rendah wis digunakake kanggo nambah voltase rusak (BV) piranti kanthi nggunakake elektronegativitas F sing kuwat. Pembentukan wilayah muatan negatif ing sisih mburi gas elektron 2-DEG nyuda injeksi elektron menyang wilayah sing dhuwur.

Gambar 3: (a) Karakteristik maju lan (b) mundur IV saka GaN SBD vertikal nuduhake perbaikan sawise implantasi F

Aplikasi liyane sing menarik saka implantasi ion ing GaN yaiku nggunakake implantasi F ing vertikal Schottky Barrier Diodes (SBDs). Ing kene, implantasi F ditindakake ing permukaan ing jejere kontak anoda ndhuwur kanggo nggawe wilayah terminasi pinggiran sing tahan dhuwur. Minangka ditampilake ing Figure 3, saiki mbalikke suda dening limang urutan gedhene, nalika BV tambah.**