SiC və GaN Güc Cihazlarında İon İmplantasiyası Texnologiyasının Çətinlikləri

kimi geniş diapazonlu (WBG) yarımkeçiricilərSilikon karbid(SiC) vəQallium nitridi(GaN) güc elektron cihazlarında getdikcə daha mühüm rol oynayacağı gözlənilir. Onlar ənənəvi Silikon (Si) cihazları ilə müqayisədə daha yüksək səmərəlilik, güc sıxlığı və keçid tezliyi daxil olmaqla bir sıra üstünlüklər təklif edirlər.İon implantasiyasıSi cihazlarında selektiv dopinqə nail olmaq üçün əsas üsuldur. Bununla belə, onu geniş diapazonlu cihazlara tətbiq edərkən bəzi çətinliklər var. Bu yazıda biz bu problemlərin bəzilərinə diqqət yetirəcəyik və onların GaN güc cihazlarında potensial tətbiqlərini ümumiləşdirəcəyik.

01

Praktiki istifadəni bir neçə faktor müəyyən edirqatqılaşdırıcı materiallaryarımkeçirici cihazların istehsalında:

İşğal olunmuş qəfəs sahələrində aşağı ionlaşma enerjisi. Si ionlaşan dayaz donorlara (n-tipli dopinq üçün) və qəbuledicilərə (p-tipli dopinq üçün) malikdir. Bant boşluğu daxilində daha dərin enerji səviyyələri zəif ionlaşma ilə nəticələnir, xüsusilə otaq temperaturunda, verilmiş doza üçün aşağı keçiriciliyə gətirib çıxarır. Kommersiya ion implantatorlarında ionlaşa bilən və yeridilə bilən mənbə materiallar. Bərk və qaz mənbəli materialların birləşmələri istifadə edilə bilər və onların praktiki istifadəsi temperaturun sabitliyindən, təhlükəsizliyindən, ion yaratma səmərəliliyindən, kütlələrin ayrılması üçün unikal ionlar istehsal etmək qabiliyyətindən və istənilən enerji implantasiya dərinliyinə nail olmaqdan asılıdır.

Kommersiya ion implantatorlarında ionlaşa bilən və enjekte edilə bilən mənbə materialları. Bərk və qaz mənbəli materialların birləşmələri istifadə edilə bilər və onların praktiki istifadəsi temperaturun sabitliyindən, təhlükəsizliyindən, ion yaratma səmərəliliyindən, kütlələrin ayrılması üçün unikal ionlar istehsal etmək qabiliyyətindən və istənilən enerji implantasiya dərinliyinə nail olmaqdan asılıdır.

Cədvəl 1: SiC və GaN güc cihazlarında istifadə olunan ümumi qatqı növləri

İmplantasiya edilmiş material daxilində diffuziya dərəcələri. Normal post-implant tavlama şəraitində yüksək diffuziya dərəcələri nəzarətsiz birləşmələrə və cihazın arzuolunmaz sahələrinə əlavə maddələrin yayılmasına səbəb ola bilər ki, bu da cihazın işinin pisləşməsi ilə nəticələnir.

Aktivləşdirmə və zərərin bərpası. Dopant aktivləşdirilməsi implantasiya edilmiş ionların interstisial mövqelərdən əvəzedici qəfəs mövqelərinə keçməsinə imkan verən yüksək temperaturda vakansiyaların yaradılmasını nəzərdə tutur. Zərərin bərpası implantasiya prosesi zamanı yaranan amorfizasiya və kristal qüsurları təmir etmək üçün çox vacibdir.

Cədvəl 1-də SiC və GaN cihazlarının istehsalında bəzi tez-tez istifadə olunan əlavə maddələr və onların ionlaşma enerjiləri verilmişdir.

Həm SiC, həm də GaN-də n-tipli dopinq dayaz əlavələrlə nisbətən sadə olsa da, ion implantasiyası vasitəsilə p-tipli dopinq yaratmaqda əsas problem mövcud elementlərin yüksək ionlaşma enerjisidir.

02

Bəzi əsas implantasiya vəyumşalma xüsusiyyətləriGaN daxildir:

SiC-dən fərqli olaraq, otaq temperaturu ilə müqayisədə isti implantasiyadan istifadənin əhəmiyyətli bir üstünlüyü yoxdur.

GaN üçün, ümumi istifadə edilən n-tipli əlavə Si, işğal yerindən asılı olaraq n-tip və/yaxud p-tipli davranış nümayiş etdirən ambipolyar ola bilər. Bu, GaN artım şəraitindən asılı ola bilər və qismən kompensasiya təsirlərinə səbəb ola bilər.

GaN-nin P-dopinqi qatlanmamış GaN-də yüksək fon elektron konsentrasiyası səbəbindən daha çətin olur, materialı p-tipinə çevirmək üçün yüksək səviyyələrdə Maqnezium (Mg) p-tipli əlavə tələb olunur. Bununla belə, yüksək dozalar yüksək səviyyəli qüsurlarla nəticələnir, daşıyıcının tutulmasına və daha dərin enerji səviyyələrində kompensasiyaya gətirib çıxarır, nəticədə zəif dopant aktivləşməsi ilə nəticələnir.

Atmosfer təzyiqi altında 840°C-dən yüksək temperaturda GaN parçalanır, N itkisinə və səthdə Ga damcılarının əmələ gəlməsinə səbəb olur. Sürətli termal yumşalma (RTA) və SiO2 kimi qoruyucu təbəqələrin müxtəlif formalarından istifadə edilmişdir. Yuyulma temperaturları SiC üçün istifadə olunanlarla müqayisədə adətən daha aşağıdır (<1500°C). Yüksək təzyiqli, çox dövrəli RTA, mikrodalğalı soba və lazerlə tavlama kimi bir neçə üsula cəhd edilmişdir. Buna baxmayaraq, p+ implantasiya kontaktlarına nail olmaq çətin olaraq qalır.

03

Şaquli Si və SiC güc cihazlarında, kənarın dayandırılması üçün ümumi yanaşma ion implantasiyası vasitəsilə p-tipli dopinq halqasının yaradılmasıdır.Əgər selektiv dopinqə nail olmaq mümkün olarsa, bu, şaquli GaN cihazlarının formalaşmasını da asanlaşdırar. Maqnezium (Mg) dopant ion implantasiyası bir neçə problemlə üzləşir və onlardan bəziləri aşağıda verilmişdir.

1. Yüksək ionlaşma potensialı (cədvəl 1-də göstərildiyi kimi).

2. İmplantasiya prosesi zamanı yaranan qüsurlar deaktivasiyaya səbəb olaraq qalıcı klasterlərin yaranmasına səbəb ola bilər.

3. Aktivləşdirmə üçün yüksək temperatur (>1300°C) tələb olunur. Bu, GaN-nin parçalanma temperaturunu aşır və xüsusi üsullara ehtiyac duyur. Uğurlu bir nümunə, 1 GPa-da N2 təzyiqi ilə ultra yüksək təzyiqli tavlamanın (UHPA) istifadəsidir. 1300-1480°C temperaturda yumşalma 70%-dən çox aktivləşməyə nail olur və yaxşı səth daşıyıcı hərəkətliliyi nümayiş etdirir.

4. Bu yüksək temperaturlarda maqnezium diffuziyası zədələnmiş nahiyələrdə nöqtə qüsurları ilə qarşılıqlı əlaqədə olur və nəticədə pilləli qovşaqlar yarana bilər. P-GaN e-rejimli HEMT-lərdə Mg paylanmasına nəzarət hətta MOCVD və ya MBE artım proseslərindən istifadə edərkən də əsas problemdir.

Şəkil 1: Mg/N birgə implantasiyası vasitəsilə pn qovşağının qırılma gərginliyinin artması

Azotun (N) Mg ilə birgə implantasiyası Mg dopantlarının aktivləşməsini yaxşılaşdırdığı və diffuziyanı boğduğu göstərilmişdir.Təkmilləşdirilmiş aktivləşmə, 1200°C-dən yuxarı yumşalma temperaturlarında bu boşluqların rekombinasiyasını asanlaşdıran N implantasiyası ilə vakansiya yığılmasının inhibə edilməsi ilə əlaqələndirilir. Bundan əlavə, N implantasiyası nəticəsində yaranan boş yerlər Mg-nin yayılmasını məhdudlaşdırır, nəticədə daha dik qovşaqlar yaranır. Bu konsepsiya tam ion implantasiyası prosesi vasitəsilə şaquli planar GaN MOSFET-lərin istehsalı üçün istifadə edilmişdir. 1200V cihazının xüsusi müqaviməti (RDSon) təsirli 0,14 Ohms-mm2-ə çatdı. Bu proses geniş miqyaslı istehsal üçün istifadə oluna bilərsə, bu, qənaətcil ola bilər və Si və SiC planar şaquli güc MOSFET istehsalında istifadə olunan ümumi proses axını izləyə bilər. Şəkil 1-də göstərildiyi kimi, birgə implantasiya üsullarının istifadəsi pn qovşağının parçalanmasını sürətləndirir.

04

Yuxarıda qeyd olunan məsələlərə görə, p-GaN dopinqi adətən p-GaN e-rejimli yüksək elektron hərəkətlilik tranzistorlarında (HEMT) implantasiya edilməkdən daha çox inkişaf etdirilir. HEMT-lərdə ion implantasiyasının bir tətbiqi cihazın yanal izolyasiyasıdır. Hidrogen (H), N, dəmir (Fe), arqon (Ar) və oksigen (O) kimi müxtəlif implant növlərinə cəhd edilmişdir. Mexanizm əsasən zədələnmə ilə bağlı tələ formalaşması ilə bağlıdır. Bu metodun mesa etch izolyasiya prosesləri ilə müqayisədə üstünlüyü cihazın düz olmasıdır. Şəkil 2-1, əldə edilmiş izolyasiya təbəqəsinin müqaviməti ilə implantasiyadan sonra yumşalma temperaturu arasındakı əlaqəni təsvir edir. Şəkildə göstərildiyi kimi, 107 Ohm/sq-dən çox müqavimət əldə etmək olar.

Şəkil 2: Müxtəlif GaN izolyasiya implantasiyalarından sonra izolyasiya təbəqəsinin müqaviməti ilə yumşalma temperaturu arasındakı əlaqə

Silikon (Si) implantasiyasından istifadə edərək GaN təbəqələrində n+ Ohmik kontaktların yaradılması ilə bağlı bir neçə tədqiqat aparılsa da, yüksək çirk konsentrasiyası və nəticədə qəfəs zədələnməsi səbəbindən praktiki həyata keçirmək çətin ola bilər.Si implantasiyasından istifadə üçün motivasiyalardan biri qızıldan (Au) istifadə etmədən Si CMOS uyğun proseslər və ya sonrakı metal ərintisi prosesləri vasitəsilə aşağı müqavimətli kontaktlara nail olmaqdır.

05

HEMT-lərdə F-nin güclü elektronmənfiliyindən istifadə edərək cihazların parçalanma gərginliyini (BV) artırmaq üçün aşağı dozalı flüor (F) implantasiyası istifadə edilmişdir. 2-DEG elektron qazının arxa tərəfində mənfi yüklü bir bölgənin meydana gəlməsi yüksək sahə bölgələrinə elektronların vurulmasını maneə törədir.

Şəkil 3: (a) F implantasiyasından sonra yaxşılaşmanı göstərən şaquli GaN SBD-nin irəli xarakteristikası və (b) tərs IV

GaN-də ion implantasiyasının digər maraqlı tətbiqi şaquli Schottky Baryer Diodlarında (SBD) F implantasiyasının istifadəsidir. Burada F implantasiyası yüksək müqavimətə malik kənar bitmə bölgəsi yaratmaq üçün üst anod kontaktının yanında səthdə həyata keçirilir. Şəkil 3-də göstərildiyi kimi, əks cərəyan beş böyüklük dərəcəsi ilə azaldılır, BV isə artır.**