Προκλήσεις της τεχνολογίας εμφύτευσης ιόντων σε συσκευές SiC και GaN Power

Ημιαγωγοί ευρείας ζώνης (WBG) όπως π.χΚαρβίδιο του πυριτίου(SiC) καιΝιτρίδιο του Γάλλιου(GaN) αναμένεται να διαδραματίσουν ολοένα και πιο σημαντικό ρόλο στις ηλεκτρονικές συσκευές ισχύος. Προσφέρουν πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με τις παραδοσιακές συσκευές πυριτίου (Si), όπως υψηλότερη απόδοση, πυκνότητα ισχύος και συχνότητα μεταγωγής.Εμφύτευση ιόντωνείναι η κύρια μέθοδος για την επίτευξη επιλεκτικού ντόπινγκ σε συσκευές Si. Ωστόσο, υπάρχουν ορισμένες προκλήσεις κατά την εφαρμογή του σε συσκευές ευρείας ζώνης. Σε αυτό το άρθρο, θα επικεντρωθούμε σε ορισμένες από αυτές τις προκλήσεις και θα συνοψίσουμε τις πιθανές εφαρμογές τους σε συσκευές ισχύος GaN.

01

Διάφοροι παράγοντες καθορίζουν την πρακτική χρήση τουπροσμίξεις υλικώνστην κατασκευή συσκευών ημιαγωγών:

Χαμηλή ενέργεια ιονισμού στις κατειλημμένες θέσεις πλέγματος. Το Si έχει ιονίζοντες ρηχούς δότες (για ντόπινγκ τύπου n) και δέκτες (για ντόπινγκ τύπου p). Τα βαθύτερα επίπεδα ενέργειας μέσα στο διάκενο έχουν ως αποτέλεσμα ανεπαρκή ιονισμό, ειδικά σε θερμοκρασία δωματίου, οδηγώντας σε χαμηλότερη αγωγιμότητα για μια δεδομένη δόση. Τα υλικά πηγής μπορούν να ιονιστούν και να ενέσιμα σε εμπορικά εμφυτεύματα ιόντων. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν ενώσεις υλικών πηγής στερεών και αερίων και η πρακτική χρήση τους εξαρτάται από τη σταθερότητα θερμοκρασίας, την ασφάλεια, την απόδοση παραγωγής ιόντων, την ικανότητα παραγωγής μοναδικών ιόντων για διαχωρισμό μάζας και την επίτευξη του επιθυμητού βάθους εμφύτευσης ενέργειας.

Πηγαία υλικά ιονιζόμενα και ενέσιμα σε εμπορικά εμφυτεύματα ιόντων. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν ενώσεις υλικών πηγής στερεών και αερίων και η πρακτική χρήση τους εξαρτάται από τη σταθερότητα θερμοκρασίας, την ασφάλεια, την απόδοση παραγωγής ιόντων, την ικανότητα παραγωγής μοναδικών ιόντων για διαχωρισμό μάζας και την επίτευξη του επιθυμητού βάθους εμφύτευσης ενέργειας.

Πίνακας 1: Συνηθισμένα είδη προσμίξεων που χρησιμοποιούνται σε συσκευές ισχύος SiC και GaN

Ρυθμοί διάχυσης εντός του εμφυτευμένου υλικού. Οι υψηλοί ρυθμοί διάχυσης υπό κανονικές συνθήκες ανόπτησης μετά την εμφύτευση μπορεί να οδηγήσουν σε ανεξέλεγκτες ενώσεις και διάχυση ρύπων σε ανεπιθύμητες περιοχές της συσκευής, με αποτέλεσμα την υποβάθμιση της απόδοσης της συσκευής.

Ενεργοποίηση και αποκατάσταση ζημιών. Η ενεργοποίηση προσμίξεων περιλαμβάνει τη δημιουργία κενών θέσεων σε υψηλές θερμοκρασίες, επιτρέποντας στα εμφυτευμένα ιόντα να μετακινηθούν από τις ενδιάμεσες θέσεις σε θέσεις υποκατάστασης πλέγματος. Η αποκατάσταση της ζημιάς είναι ζωτικής σημασίας για την αποκατάσταση αμορφώσεων και κρυσταλλικών ελαττωμάτων που δημιουργούνται κατά τη διαδικασία εμφύτευσης.

Ο Πίνακας 1 παραθέτει ορισμένα κοινώς χρησιμοποιούμενα είδη προσμίξεων και τις ενέργειες ιονισμού τους στην κατασκευή συσκευών SiC και GaN.

Ενώ το ντόπινγκ τύπου n τόσο στο SiC όσο και στο GaN είναι σχετικά απλό με ρηχά προσμείξεις, μια βασική πρόκληση για τη δημιουργία ντόπινγκ τύπου p μέσω εμφύτευσης ιόντων είναι η υψηλή ενέργεια ιονισμού των διαθέσιμων στοιχείων.

02

Κάποια βασική εμφύτευση καιχαρακτηριστικά ανόπτησηςτου GaN περιλαμβάνουν:

Σε αντίθεση με το SiC, δεν υπάρχει σημαντικό πλεονέκτημα στη χρήση θερμής εμφύτευσης σε σύγκριση με τη θερμοκρασία δωματίου.

Για το GaN, το κοινώς χρησιμοποιούμενο n-τύπου προσμίκτη Si μπορεί να είναι αμφιπολικό, να εμφανίζει συμπεριφορά τύπου n και/ή p-τύπου ανάλογα με τη θέση κατάληψης του. Αυτό μπορεί να εξαρτάται από τις συνθήκες ανάπτυξης GaN και να οδηγήσει σε επιδράσεις μερικής αντιστάθμισης.

Το P-ντόπινγκ του GaN είναι πιο προκλητικό λόγω της υψηλής συγκέντρωσης ηλεκτρονίων υποβάθρου στο μη διαβαθμισμένο GaN, που απαιτούν υψηλά επίπεδα πρόσμιξης μαγνησίου (Mg) τύπου p για τη μετατροπή του υλικού σε τύπου p. Ωστόσο, οι υψηλές δόσεις οδηγούν σε υψηλά επίπεδα ελαττωμάτων, οδηγώντας σε σύλληψη φορέα και αντιστάθμιση σε βαθύτερα ενεργειακά επίπεδα, με αποτέλεσμα κακή ενεργοποίηση προσμίξεων.

Το GaN αποσυντίθεται σε θερμοκρασίες υψηλότερες από 840°C υπό ατμοσφαιρική πίεση, οδηγώντας σε απώλεια N και σχηματισμό σταγονιδίων Ga στην επιφάνεια. Έχουν χρησιμοποιηθεί διάφορες μορφές ταχείας θερμικής ανόπτησης (RTA) και προστατευτικών στρωμάτων όπως το SiO2. Οι θερμοκρασίες ανόπτησης είναι συνήθως χαμηλότερες (<1500°C) σε σύγκριση με αυτές που χρησιμοποιούνται για το SiC. Έχουν επιχειρηθεί αρκετές μέθοδοι όπως η υψηλή πίεση, η RTA πολλαπλών κύκλων, η ανόπτηση με μικροκύματα και με λέιζερ. Ωστόσο, η επίτευξη επαφών εμφύτευσης p+ παραμένει μια πρόκληση.

03

Σε κάθετες συσκευές ισχύος Si και SiC, μια κοινή προσέγγιση για τον τερματισμό ακμών είναι η δημιουργία ενός δακτυλίου ντόπινγκ τύπου p μέσω εμφύτευσης ιόντων.Εάν μπορεί να επιτευχθεί επιλεκτικό ντόπινγκ, θα διευκολυνθεί επίσης ο σχηματισμός κάθετων συσκευών GaN. Η εμφύτευση προσμίξεων ιόντων μαγνησίου (Mg) αντιμετωπίζει πολλές προκλήσεις και μερικές από αυτές παρατίθενται παρακάτω.

1. Υψηλό δυναμικό ιοντισμού (όπως φαίνεται στον Πίνακα 1).

2. Τα ελαττώματα που δημιουργούνται κατά τη διαδικασία εμφύτευσης μπορεί να οδηγήσουν στο σχηματισμό μόνιμων συστάδων, προκαλώντας απενεργοποίηση.

3. Για την ενεργοποίηση απαιτούνται υψηλές θερμοκρασίες (>1300°C). Αυτό υπερβαίνει τη θερμοκρασία αποσύνθεσης του GaN, απαιτώντας ειδικές μεθόδους. Ένα επιτυχημένο παράδειγμα είναι η χρήση ανόπτησης εξαιρετικά υψηλής πίεσης (UHPA) με πίεση N2 στο 1 GPa. Η ανόπτηση στους 1300-1480°C επιτυγχάνει πάνω από 70% ενεργοποίηση και παρουσιάζει καλή κινητικότητα φορέα επιφάνειας.

4. Σε αυτές τις υψηλές θερμοκρασίες, η διάχυση μαγνησίου αλληλεπιδρά με σημειακά ελαττώματα στις κατεστραμμένες περιοχές, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε διαβαθμισμένες ενώσεις. Ο έλεγχος της κατανομής Mg σε HEMT e-mode p-GaN είναι μια βασική πρόκληση, ακόμη και όταν χρησιμοποιούνται διαδικασίες ανάπτυξης MOCVD ή MBE.

Σχήμα 1: Αυξημένη τάση διάσπασης συνδέσμου pn μέσω συνεμφύτευσης Mg/N

Η ταυτόχρονη εμφύτευση αζώτου (Ν) με Mg έχει αποδειχθεί ότι βελτιώνει την ενεργοποίηση των προσμείξεων Mg και καταστέλλει τη διάχυση.Η βελτιωμένη ενεργοποίηση αποδίδεται στην αναστολή της συσσωμάτωσης κενών θέσεων με εμφύτευση Ν, η οποία διευκολύνει τον ανασυνδυασμό αυτών των κενών σε θερμοκρασίες ανόπτησης πάνω από 1200°C. Επιπλέον, οι κενές θέσεις που δημιουργούνται από την εμφύτευση N περιορίζουν τη διάχυση του Mg, με αποτέλεσμα πιο απότομες συνδέσεις. Αυτή η ιδέα έχει χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή κάθετων επίπεδων GaN MOSFET μέσω μιας διαδικασίας εμφύτευσης πλήρους ιόντων. Η ειδική on-resistance (RDSon) της συσκευής 1200V έφτασε τα εντυπωσιακά 0,14 Ohms-mm2. Εάν αυτή η διαδικασία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για κατασκευή μεγάλης κλίμακας, θα μπορούσε να είναι οικονομικά αποδοτική και να ακολουθεί την κοινή ροή διεργασίας που χρησιμοποιείται στην κατασκευή MOSFET επίπεδης κατακόρυφης ισχύος με Si και SiC. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 1, η χρήση μεθόδων συν-εμφύτευσης επιταχύνει τη διάσπαση της σύνδεσης pn.

04

Λόγω των προαναφερθέντων ζητημάτων, το ντόπινγκ p-GaN συνήθως αναπτύσσεται αντί να εμφυτεύεται σε τρανζίστορ υψηλής κινητικότητας ηλεκτρονίων (HEMTs) p-GaN e-mode. Μια εφαρμογή της εμφύτευσης ιόντων σε HEMTs είναι η πλευρική απομόνωση συσκευής. Έχουν επιχειρηθεί διάφορα είδη εμφυτευμάτων, όπως υδρογόνο (Η), Ν, σίδηρος (Fe), αργό (Ar) και οξυγόνο (Ο). Ο μηχανισμός σχετίζεται κυρίως με το σχηματισμό παγίδας που σχετίζεται με βλάβη. Το πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου σε σύγκριση με τις διαδικασίες απομόνωσης mesa etch είναι η επιπεδότητα της συσκευής. Το Σχήμα 2-1 περιγράφει τη σχέση μεταξύ της επιτευχθείσας αντίστασης του στρώματος απομόνωσης και της θερμοκρασίας ανόπτησης μετά την εμφύτευση. Όπως φαίνεται στο σχήμα, μπορούν να επιτευχθούν αντιστάσεις άνω των 107 Ohms/sq.

Εικόνα 2: Σχέση μεταξύ της αντίστασης του στρώματος απομόνωσης και της θερμοκρασίας ανόπτησης μετά από διάφορες εμφυτεύσεις απομόνωσης GaN

Παρόλο που έχουν διεξαχθεί αρκετές μελέτες για τη δημιουργία n+ Ohmic επαφών σε στρώματα GaN χρησιμοποιώντας εμφύτευση πυριτίου (Si), η πρακτική εφαρμογή μπορεί να είναι δύσκολη λόγω των υψηλών συγκεντρώσεων ακαθαρσιών και της επακόλουθης ζημιάς στο πλέγμα.Ένα κίνητρο για τη χρήση της εμφύτευσης Si είναι η επίτευξη επαφών χαμηλής αντίστασης μέσω διαδικασιών συμβατών με Si CMOS ή επακόλουθων διεργασιών μετάλλων κραμάτων χωρίς τη χρήση χρυσού (Au).

05

Στα HEMT, η εμφύτευση χαμηλής δόσης φθορίου (F) έχει χρησιμοποιηθεί για την αύξηση της τάσης διάσπασης (BV) των συσκευών αξιοποιώντας την ισχυρή ηλεκτραρνητικότητα του F. Ο σχηματισμός μιας αρνητικά φορτισμένης περιοχής στην πίσω πλευρά του αερίου ηλεκτρονίων 2-DEG καταστέλλει την έγχυση ηλεκτρονίων σε περιοχές υψηλού πεδίου.

Εικόνα 3: (α) Εμπρόσθια χαρακτηριστικά και (β) αντίστροφη IV του κάθετου GaN SBD που δείχνει βελτίωση μετά την εμφύτευση F

Μια άλλη ενδιαφέρουσα εφαρμογή της εμφύτευσης ιόντων στο GaN είναι η χρήση της εμφύτευσης F σε κάθετες διόδους φραγμού Schottky (SBDs). Εδώ, η εμφύτευση F πραγματοποιείται στην επιφάνεια δίπλα στην επάνω επαφή ανόδου για να δημιουργηθεί μια περιοχή τερματισμού ακμών υψηλής αντίστασης. Όπως φαίνεται στο σχήμα 3, το αντίστροφο ρεύμα μειώνεται κατά πέντε τάξεις μεγέθους, ενώ το BV αυξάνεται.**