Udfordringer ved ionimplantationsteknologi i SiC og GaN Power Devices

Wide bandgap (WBG) halvledere som f.eksSiliciumcarbid(SiC) ogGalliumnitrid(GaN) forventes at spille en stadig vigtigere rolle i kraftelektroniske enheder. De tilbyder flere fordele i forhold til traditionelle silicium (Si)-enheder, herunder højere effektivitet, strømtæthed og skiftefrekvens.Ionimplantationer den primære metode til at opnå selektiv doping i Si-enheder. Der er dog nogle udfordringer, når du anvender det på enheder med brede båndgab. I denne artikel vil vi fokusere på nogle af disse udfordringer og opsummere deres potentielle anvendelser i GaN power-enheder.

01

Flere faktorer bestemmer den praktiske brug afdopingmaterialeri fremstilling af halvlederenheder:

Lav ioniseringsenergi i de besatte gittersteder. Si har ioniserbare overfladiske donorer (til n-type doping) og acceptorer (til p-type doping) elementer. De dybere energiniveauer inden for båndgabet resulterer i dårlig ionisering, især ved stuetemperatur, hvilket fører til lavere ledningsevne for en given dosis. Kildematerialer, der kan ioniseres og injiceres i kommercielle ionimplantater. Faste og gaskildematerialeforbindelser kan anvendes, og deres praktiske anvendelse afhænger af temperaturstabilitet, sikkerhed, iongenereringseffektivitet, evne til at producere unikke ioner til masseseparation og opnå den ønskede energiimplantationsdybde.

Kildematerialer, der kan ioniseres og injiceres i kommercielle ionimplantater. Faste og gaskildematerialeforbindelser kan anvendes, og deres praktiske anvendelse afhænger af temperaturstabilitet, sikkerhed, iongenereringseffektivitet, evne til at producere unikke ioner til masseseparation og opnå den ønskede energiimplantationsdybde.

Tabel 1: Almindelige dopantarter, der anvendes i SiC- og GaN-energienheder

Diffusionshastigheder i det implanterede materiale. Høje diffusionshastigheder under normale post-implantationsudglødningsforhold kan føre til ukontrollerede forbindelser og dopingdiffusion til uønskede områder af enheden, hvilket resulterer i forringet enhedsydelse.

Aktivering og genopretning af skader. Dopantaktivering involverer generering af ledige pladser ved høje temperaturer, hvilket tillader de implanterede ioner at bevæge sig fra interstitielle positioner til substitutionsgitterpositioner. Genopretning af skader er afgørende for at reparere amorfisering og krystaldefekter skabt under implantationsprocessen.

Tabel 1 viser nogle almindeligt anvendte dopingarter og deres ioniseringsenergier i SiC- og GaN-enhedsfremstilling.

Mens n-type doping i både SiC og GaN er relativt ligetil med lavvandede dopingmidler, er en nøgleudfordring i at skabe p-type doping gennem ionimplantation den høje ioniseringsenergi af tilgængelige elementer.

02

Nogle nøgleimplantation ogudglødningsegenskaberaf GaN omfatter:

I modsætning til SiC er der ingen væsentlig fordel ved at bruge varm implantation sammenlignet med stuetemperatur.

For GaN kan det almindeligt anvendte n-type dopingmiddel Si være ambipolært og udvise n-type og/eller p-type adfærd afhængigt af dets besættelsessted. Dette kan afhænge af GaN vækstbetingelser og føre til delvise kompensationseffekter.

P-doping af GaN er mere udfordrende på grund af den høje baggrundselektronkoncentration i udopet GaN, der kræver høje niveauer af magnesium (Mg) p-type dopingmiddel for at omdanne materialet til p-type. Imidlertid resulterer høje doser i høje niveauer af defekter, hvilket fører til bærerfangst og kompensation ved dybere energiniveauer, hvilket resulterer i dårlig aktivering af dopingmidler.

GaN nedbrydes ved temperaturer højere end 840°C under atmosfærisk tryk, hvilket fører til N-tab og dannelse af Ga-dråber på overfladen. Forskellige former for hurtig termisk udglødning (RTA) og beskyttende lag såsom SiO2 er blevet anvendt. Udglødningstemperaturer er typisk lavere (<1500°C) sammenlignet med dem, der anvendes til SiC. Adskillige metoder såsom højtryks-, multi-cyklus RTA, mikrobølge- og laserudglødning er blevet forsøgt. Ikke desto mindre er det stadig en udfordring at opnå p+ implantationskontakter.

03

I vertikale Si- og SiC-effektenheder er en almindelig tilgang til kantterminering at skabe en p-type dopingring gennem ionimplantation.Hvis selektiv doping kan opnås, ville det også lette dannelsen af ​​vertikale GaN-enheder. Magnesium (Mg) dopant ionimplantation står over for flere udfordringer, og nogle af dem er anført nedenfor.

1. Højt ioniseringspotentiale (som vist i tabel 1).

2. Defekter genereret under implantationsprocessen kan føre til dannelse af permanente klynger, hvilket forårsager deaktivering.

3. Høje temperaturer (>1300°C) er nødvendige for aktivering. Dette overstiger nedbrydningstemperaturen for GaN, hvilket nødvendiggør specielle metoder. Et vellykket eksempel er brugen af ​​ultrahøjtryksudglødning (UHPA) med N2-tryk ved 1 GPa. Udglødning ved 1300-1480°C opnår over 70% aktivering og udviser god overfladebærermobilitet.

4. Ved disse høje temperaturer interagerer magnesiumdiffusion med punktdefekter i de beskadigede områder, hvilket kan resultere i graduerede krydsninger. Kontrol af Mg-fordeling i p-GaN e-mode HEMT'er er en nøgleudfordring, selv når der anvendes MOCVD- eller MBE-vækstprocesser.

Figur 1: Øget pn junction breakdown spænding gennem Mg/N co-implantation

Co-implantation af nitrogen (N) med Mg har vist sig at forbedre aktiveringen af ​​Mg-doteringsmidler og undertrykke diffusion.Den forbedrede aktivering tilskrives inhiberingen af ​​ledig agglomeration ved N-implantation, hvilket letter rekombinationen af ​​disse ledige stillinger ved annealingstemperaturer over 1200°C. Derudover begrænser de ledige stillinger, der genereres af N-implantation, diffusionen af ​​Mg, hvilket resulterer i stejlere kryds. Dette koncept er blevet brugt til at fremstille vertikale plane GaN MOSFET'er gennem en fuld ionimplantationsproces. Den specifikke on-resistance (RDSon) af 1200V-enheden nåede en imponerende 0,14 Ohms-mm2. Hvis denne proces kan bruges til fremstilling i stor skala, kan den være omkostningseffektiv og følge den almindelige processtrøm, der bruges i Si- og SiC-planar vertikal effekt MOSFET-fremstilling. Som vist i figur 1 fremskynder brugen af ​​co-implantationsmetoder nedbrydning af pn-forbindelsen.

04

På grund af de førnævnte problemer dyrkes p-GaN-doping typisk frem for implanteret i p-GaN e-mode transistorer med høj elektronmobilitet (HEMT'er). En anvendelse af ionimplantation i HEMT'er er lateral enhedsisolering. Forskellige implantatarter, såsom brint (H), N, jern (Fe), argon (Ar) og oxygen (O), er blevet forsøgt. Mekanismen er hovedsageligt relateret til fældedannelse i forbindelse med skade. Fordelen ved denne metode sammenlignet med mesa-ætsningsisoleringsprocesser er enhedens fladhed. Figur 2-1 beskriver forholdet mellem den opnåede isolationslagsmodstand og udglødningstemperaturen efter implantation. Som vist på figuren kan der opnås modstande på over 107 Ohm/sq.

Figur 2: Forholdet mellem isolationslagets modstand og annealingstemperaturen efter forskellige GaN-isolationsimplantationer

Selvom adskillige undersøgelser er blevet udført for at skabe n+ ohmske kontakter i GaN-lag ved hjælp af silicium (Si) implantation, kan praktisk implementering være udfordrende på grund af høje urenhedskoncentrationer og resulterende gitterskader.En motivation for at bruge Si-implantation er at opnå lav-modstandskontakter gennem Si CMOS-kompatible processer eller efterfølgende post-metallegeringsprocesser uden brug af guld (Au).

05

I HEMT'er er lavdosis fluor (F) implantation blevet brugt til at øge nedbrydningsspændingen (BV) af enheder ved at udnytte F's stærke elektronegativitet. Dannelsen af ​​et negativt ladet område på bagsiden af ​​2-DEG elektrongassen undertrykker injektionen af ​​elektroner i højfeltsområder.

Figur 3: (a) Fremadgående karakteristika og (b) omvendt IV af vertikal GaN SBD, der viser forbedring efter F-implantation

En anden interessant anvendelse af ionimplantation i GaN er brugen af ​​F-implantation i vertikale Schottky Barrier Diodes (SBD'er). Her udføres F-implantation på overfladen ved siden af ​​den øverste anodekontakt for at skabe et kanttermineringsområde med høj modstand. Som vist i figur 3 reduceres den omvendte strøm med fem størrelsesordener, mens BV øges.**