Ioni-istutustekniikan haasteet SiC- ja GaN-virtalaitteissa

Wide bandgap (WBG) puolijohteet, kutenPiikarbidi(SiC) jaGalliumnitridi(GaN) odotetaan olevan yhä tärkeämpi rooli tehoelektroniikkalaitteissa. Ne tarjoavat useita etuja perinteisiin pii (Si) -laitteisiin verrattuna, mukaan lukien korkeampi hyötysuhde, tehotiheys ja kytkentätaajuus.Ioni-istutuson ensisijainen menetelmä valikoivan dopingin aikaansaamiseksi Si-laitteissa. Sen soveltamisessa laajakaistaisiin laitteisiin liittyy kuitenkin joitain haasteita. Tässä artikkelissa keskitymme joihinkin näistä haasteista ja teemme yhteenvedon niiden mahdollisista sovelluksista GaN-virtalaitteissa.

01

Useat tekijät määräävät käytännön käytönlisäaineitapuolijohdelaitteiden valmistuksessa:

Alhainen ionisaatioenergia miehitetyissä hilakohdissa. Si:ssä on ionisoituvia matalia luovuttajia (n-tyypin dopingille) ja vastaanottajia (p-tyypin dopingille). Syvempi energiataso bandgap-alueella johtaa huonoon ionisaatioon, erityisesti huoneenlämpötilassa, mikä johtaa pienempään johtavuuteen tietyllä annoksella. Lähdemateriaalit, jotka voidaan ionisoida ja ruiskuttaa kaupallisissa ioni-implantereissa. Kiinteiden ja kaasujen lähdemateriaaliyhdisteitä voidaan käyttää, ja niiden käytännön käyttö riippuu lämpötilan stabiilisuudesta, turvallisuudesta, ioninmuodostustehokkuudesta, kyvystä tuottaa ainutlaatuisia ioneja massaerotusta varten ja saavuttaa haluttu energian istutussyvyys.

Lähdemateriaalit ionisoitavissa ja ruiskettavissa kaupallisissa ioni-implantereissa. Kiinteiden ja kaasujen lähdemateriaaliyhdisteitä voidaan käyttää, ja niiden käytännön käyttö riippuu lämpötilan stabiilisuudesta, turvallisuudesta, ioninmuodostustehokkuudesta, kyvystä tuottaa ainutlaatuisia ioneja massaerotusta varten ja saavuttaa haluttu energian istutussyvyys.

Taulukko 1: SiC- ja GaN-teholaitteissa käytetyt yleiset seostusaineet

Diffuusionopeudet implantoidun materiaalin sisällä. Suuret diffuusionopeudet normaaleissa istutuksen jälkeisissä lämpökäsittelyolosuhteissa voivat johtaa hallitsemattomiin liitoksiin ja lisäaineen diffuusioon laitteen ei-toivotuille alueille, mikä johtaa laitteen suorituskyvyn heikkenemiseen.

Aktivointi ja vaurioiden korjaaminen. Seostusaineen aktivointi sisältää tyhjien työpaikkojen luomisen korkeissa lämpötiloissa, jolloin implantoidut ionit voivat siirtyä interstitiaalisista asennoista korvaaviin hila-asemiin. Vahinkojen toipuminen on ratkaisevan tärkeää implantaatioprosessin aikana syntyneiden amorfisaatio- ja kidevikojen korjaamisessa.

Taulukossa 1 on lueteltu joitakin yleisesti käytettyjä seostusaineita ja niiden ionisaatioenergiat SiC- ja GaN-laitteiden valmistuksessa.

Vaikka n-tyypin seostus sekä SiC:ssä että GaN:ssa on suhteellisen yksinkertaista matalissa seostusaineissa, keskeinen haaste p-tyypin seostusaineen luomisessa ioni-implantaation avulla on saatavilla olevien elementtien korkea ionisaatioenergia.

02

Jotkut avainimplantaatiot jahehkutusominaisuudetGaN sisältää:

Toisin kuin SiC, kuumaimplantaatiolla ei ole merkittävää etua huoneenlämpötilaan verrattuna.

GaN:lle yleisesti käytetty n-tyypin seostusaine Si voi olla ambipolaarinen, ja se voi käyttäytyä n-tyypin ja/tai p-tyypin mukaan riippuen sen asutuspaikasta. Tämä voi riippua GaN-kasvuolosuhteista ja johtaa osittaisiin kompensaatiovaikutuksiin.

GaN:n P-doping on haastavampaa, koska seostamattoman GaN:n taustaelektronipitoisuus on korkea, joka vaatii suuria määriä p-tyypin lisäainetta magnesiumia (Mg) materiaalin muuttamiseksi p-tyyppiseksi. Suuret annokset johtavat kuitenkin suuriin virhetasoihin, mikä johtaa kantoaallon sieppaamiseen ja kompensointiin syvemmällä energiatasolla, mikä johtaa huonoon lisäaineen aktivoitumiseen.

GaN hajoaa yli 840 °C:n lämpötiloissa ilmakehän paineessa, mikä johtaa typen häviöön ja Ga-pisaroiden muodostumiseen pinnalle. Erilaisia ​​nopean lämpöhehkutuksen (RTA) muotoja ja suojakerroksia, kuten Si02:ta, on käytetty. Hehkutuslämpötilat ovat tyypillisesti alhaisemmat (<1500°C) verrattuna piikarbidin lämpötiloihin. Useita menetelmiä, kuten korkeapaine-, monijaksoinen RTA-, mikroaaltouuni- ja laserhehkutus, on yritetty. Siitä huolimatta p+-istutuskontaktien saavuttaminen on edelleen haaste.

03

Pystysuuntaisissa Si- ja SiC-teholaitteissa yleinen lähestymistapa reunan päättämiseen on luoda p-tyyppinen seostusrengas ioni-istutuksella.Jos valikoiva doping voidaan saavuttaa, se helpottaisi myös pystysuorien GaN-laitteiden muodostumista. Magnesiumin (Mg) seostusaineen istuttaminen kohtaa useita haasteita, ja osa niistä on lueteltu alla.

1. Suuri ionisaatiopotentiaali (kuten taulukosta 1 näkyy).

2. Implantaatioprosessin aikana syntyvät viat voivat johtaa pysyvien klustereiden muodostumiseen, mikä aiheuttaa deaktivoitumisen.

3. Aktivointi vaatii korkeita lämpötiloja (>1300°C). Tämä ylittää GaN:n hajoamislämpötilan, mikä vaatii erityismenetelmiä. Yksi onnistunut esimerkki on ultrakorkean paineen hehkutuksen (UHPA) käyttö N2-paineella 1 GPa:lla. Hehkutus 1300-1480°C:ssa saavuttaa yli 70 %:n aktivoitumisen ja osoittaa hyvää kantoaineen liikkuvuutta pinnalla.

4. Näissä korkeissa lämpötiloissa magnesiumdiffuusio on vuorovaikutuksessa vaurioituneiden alueiden pistevirheiden kanssa, mikä voi johtaa asteittainen liitoskohtiin. Mg-jakauman hallinta p-GaN e-mode HEMT:issä on keskeinen haaste, vaikka käytettäisiin MOCVD- tai MBE-kasvuprosesseja.

Kuva 1: Lisääntynyt pn-liitoksen läpilyöntijännite Mg/N-yhteisistutuksen kautta

Typen (N) istuttamisen yhdessä Mg:n kanssa on osoitettu parantavan Mg-seostusaineiden aktivaatiota ja estävän diffuusiota.Parannettu aktivaatio johtuu tyhjien tilojen agglomeroitumisen estämisestä N-istutuksella, mikä helpottaa näiden tyhjien paikkojen rekombinaatiota yli 1200 °C:n lämpötiloissa. Lisäksi N-istutuksen synnyttämät vapaat paikat rajoittavat Mg:n diffuusiota, mikä johtaa jyrkempiin risteyksiin. Tätä konseptia on käytetty pystysuorien tasomaisten GaN MOSFETien valmistukseen täyden ioni-istutusprosessin kautta. 1200 V:n laitteen ominaisvastus (RDSon) saavutti vaikuttavan 0,14 ohmia mm2. Jos tätä prosessia voidaan hyödyntää laajamittaisessa valmistuksessa, se voisi olla kustannustehokas ja noudattaa Si- ja SiC-tasomaisessa pystyteho MOSFET-valmistuksessa käytettyä yhteistä prosessivirtaa. Kuten kuvasta 1 näkyy, yhteisimplantaatiomenetelmien käyttö nopeuttaa pn-liitoksen hajoamista.

04

Edellä mainituista ongelmista johtuen p-GaN-doping tyypillisesti kasvatetaan sen sijaan, että se istutetaan p-GaN e-mode high elektronimobility -transistoreihin (HEMT). Yksi ioni-istutuksen sovellus HEMT:issä on lateraalinen laitteen eristäminen. Erilaisia ​​implanttilajeja, kuten vety (H), N, rauta (Fe), argon (Ar) ja happi (O), on yritetty. Mekanismi liittyy pääasiassa vaurioon liittyvään loukun muodostumiseen. Tämän menetelmän etuna mesa etch -eristysprosesseihin verrattuna on laitteen tasaisuus. Kuva 2-1 kuvaa saavutetun eristyskerroksen vastuksen ja hehkutuslämpötilan välistä suhdetta implantoinnin jälkeen. Kuten kuvasta näkyy, resistanssit ovat yli 107 ohmia/m².

Kuva 2: Eristyskerroksen vastuksen ja hehkutuslämpötilan välinen suhde eri GaN-eristysimplantaatioiden jälkeen

Vaikka useita tutkimuksia on tehty n+ ohmisen kontaktien luomisesta GaN-kerroksiin pii (Si) -istutuksella, käytännön toteutus voi olla haastavaa korkeiden epäpuhtauspitoisuuksien ja siitä aiheutuvien hilavaurioiden vuoksi.Yksi motivaatio Si-implantaation käytölle on saavuttaa alhaisen resistanssin kontaktit Si CMOS -yhteensopivien prosessien tai myöhempien metalliseosprosessien avulla ilman kultaa (Au).

05

HEMT:issä pienen annoksen fluori-istutusta (F) on käytetty lisäämään laitteiden läpilyöntijännitettä (BV) hyödyntämällä F:n vahvaa elektronegatiivisuutta. Negatiivisesti varautuneen alueen muodostuminen 2-asteisen elektronikaasun takapuolelle vaimentaa elektronien ruiskutusta korkeakentän alueille.

Kuva 3: (a) Eteenpäin suuntautuvat ominaisuudet ja (b) pystysuoran GaN SBD:n käänteinen IV osoittaen parannusta F-istutuksen jälkeen

Toinen mielenkiintoinen ioni-istutuksen sovellus GaN: ssä on F-istutuksen käyttö vertikaalisissa Schottky Barrier -diodeissa (SBD). Tässä F-istutus suoritetaan yläanodikoskettimen viereiselle pinnalle korkearesistanssisen reunapäätealueen luomiseksi. Kuten kuvasta 3 näkyy, käänteisvirtaa pienennetään viisi suuruusluokkaa, kun taas BV kasvaa.**