Cabaran Teknologi Implantasi Ion dalam Peranti Kuasa SiC dan GaN

Celah jalur lebar (WBG) semikonduktor sepertiSilikon karbida(SiC) danGalium Nitrida(GaN) dijangka memainkan peranan yang semakin penting dalam peranti elektronik kuasa. Mereka menawarkan beberapa kelebihan berbanding peranti Silikon (Si) tradisional, termasuk kecekapan yang lebih tinggi, ketumpatan kuasa dan kekerapan pensuisan.Implantasi ionialah kaedah utama untuk mencapai doping terpilih dalam peranti Si. Walau bagaimanapun, terdapat beberapa cabaran apabila menggunakannya pada peranti jurang jalur lebar. Dalam artikel ini, kami akan menumpukan pada beberapa cabaran ini dan meringkaskan potensi aplikasinya dalam peranti kuasa GaN.

01

Beberapa faktor menentukan penggunaan praktikalbahan dopandalam pembuatan peranti semikonduktor:

Tenaga pengionan rendah di tapak kekisi yang diduduki. Si mempunyai unsur penderma cetek boleh terion (untuk doping jenis-n) dan penerima (untuk doping jenis-p). Tahap tenaga yang lebih dalam dalam celah jalur mengakibatkan pengionan yang lemah, terutamanya pada suhu bilik, membawa kepada kekonduksian yang lebih rendah untuk dos tertentu. Bahan sumber boleh terion dan boleh disuntik dalam implan ion komersial. Kompaun bahan sumber pepejal dan gas boleh digunakan, dan penggunaan praktikalnya bergantung pada kestabilan suhu, keselamatan, kecekapan penjanaan ion, keupayaan untuk menghasilkan ion unik untuk pengasingan jisim, dan mencapai kedalaman implantasi tenaga yang dikehendaki.

Bahan sumber boleh terion dan boleh disuntik dalam implanter ion komersial. Kompaun bahan sumber pepejal dan gas boleh digunakan, dan penggunaan praktikalnya bergantung pada kestabilan suhu, keselamatan, kecekapan penjanaan ion, keupayaan untuk menghasilkan ion unik untuk pengasingan jisim, dan mencapai kedalaman implantasi tenaga yang dikehendaki.

Jadual 1: Spesies dopan biasa yang digunakan dalam peranti kuasa SiC dan GaN

Kadar resapan dalam bahan yang diimplan. Kadar resapan yang tinggi di bawah keadaan penyepuhlindapan selepas implan biasa boleh membawa kepada simpang tidak terkawal dan resapan dopan ke kawasan peranti yang tidak diingini, mengakibatkan prestasi peranti merosot.

Pengaktifan dan pemulihan kerosakan. Pengaktifan dopan melibatkan penjanaan kekosongan pada suhu tinggi, membolehkan ion yang diimplan bergerak dari kedudukan interstisial ke kedudukan kekisi penggantian. Pemulihan kerosakan adalah penting untuk membaiki amorfisasi dan kecacatan kristal yang dicipta semasa proses implantasi.

Jadual 1 menyenaraikan beberapa spesies dopan yang biasa digunakan dan tenaga pengionannya dalam pembuatan peranti SiC dan GaN.

Walaupun doping jenis-n dalam kedua-dua SiC dan GaN adalah agak mudah dengan dopan cetek, cabaran utama dalam mencipta doping jenis-p melalui implantasi ion ialah tenaga pengionan tinggi unsur-unsur yang tersedia.

02

Beberapa implantasi utama danciri penyepuhlindapandaripada GaN termasuk:

Tidak seperti SiC, tiada kelebihan ketara dalam menggunakan implantasi panas berbanding suhu bilik.

Untuk GaN, dopan jenis-n Si yang biasa digunakan boleh menjadi ambipolar, mempamerkan tingkah laku jenis-n dan/atau jenis-p bergantung pada tapak pekerjaannya. Ini mungkin bergantung pada keadaan pertumbuhan GaN dan membawa kepada kesan pampasan separa.

P-doping GaN lebih mencabar kerana kepekatan elektron latar belakang yang tinggi dalam GaN yang tidak didop, memerlukan dopan jenis-p Magnesium (Mg) yang tinggi untuk menukar bahan kepada jenis-p. Walau bagaimanapun, dos yang tinggi mengakibatkan tahap kecacatan yang tinggi, yang membawa kepada penangkapan pembawa dan pampasan pada tahap tenaga yang lebih dalam, mengakibatkan pengaktifan dopan yang lemah.

GaN terurai pada suhu lebih tinggi daripada 840°C di bawah tekanan atmosfera, membawa kepada kehilangan N dan pembentukan titisan Ga di permukaan. Pelbagai bentuk penyepuhlindapan haba pantas (RTA) dan lapisan pelindung seperti SiO2 telah digunakan. Suhu penyepuhlindapan biasanya lebih rendah (<1500°C) berbanding suhu yang digunakan untuk SiC. Beberapa kaedah seperti RTA tekanan tinggi, berbilang kitaran, gelombang mikro dan penyepuhlindapan laser telah dicuba. Namun begitu, mencapai hubungan implantasi p+ kekal sebagai cabaran.

03

Dalam peranti kuasa Si dan SiC menegak, pendekatan biasa untuk penamatan tepi adalah untuk mencipta cincin doping jenis-p melalui implantasi ion.Jika doping terpilih boleh dicapai, ia juga akan memudahkan pembentukan peranti GaN menegak. Implantasi ion dopan Magnesium (Mg) menghadapi beberapa cabaran, dan beberapa daripadanya disenaraikan di bawah.

1. Keupayaan pengionan yang tinggi (seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 1).

2. Kecacatan yang dijana semasa proses implantasi boleh menyebabkan pembentukan kelompok kekal, menyebabkan penyahaktifan.

3. Suhu tinggi (>1300°C) diperlukan untuk pengaktifan. Ini melebihi suhu penguraian GaN, memerlukan kaedah khas. Satu contoh yang berjaya ialah penggunaan penyepuhlindapan tekanan ultra tinggi (UHPA) dengan tekanan N2 pada 1 GPa. Penyepuhlindapan pada 1300-1480°C mencapai lebih 70% pengaktifan dan mempamerkan mobiliti pembawa permukaan yang baik.

4. Pada suhu tinggi ini, resapan magnesium berinteraksi dengan kecacatan titik di kawasan yang rosak, yang boleh mengakibatkan persimpangan berperingkat. Kawalan pengedaran Mg dalam HEMT e-mod p-GaN adalah cabaran utama, walaupun apabila menggunakan proses pertumbuhan MOCVD atau MBE.

Rajah 1: Peningkatan voltan pecahan simpang pn melalui implantasi bersama Mg/N

Implantasi bersama nitrogen (N) dengan Mg telah ditunjukkan untuk meningkatkan pengaktifan dopan Mg dan menyekat penyebaran.Pengaktifan yang lebih baik adalah disebabkan oleh perencatan aglomerasi kekosongan oleh implantasi N, yang memudahkan penggabungan semula kekosongan ini pada suhu penyepuhlindapan melebihi 1200°C. Selain itu, kekosongan yang dihasilkan oleh implantasi N mengehadkan penyebaran Mg, menghasilkan persimpangan yang lebih curam. Konsep ini telah digunakan untuk mengeluarkan MOSFET GaN planar menegak melalui proses implantasi ion penuh. Rintangan khusus (RDSon) bagi peranti 1200V mencapai 0.14 Ohms-mm2 yang mengagumkan. Jika proses ini boleh digunakan untuk pembuatan berskala besar, ia boleh menjadi kos efektif dan mengikut aliran proses biasa yang digunakan dalam fabrikasi MOSFET kuasa menegak satah Si dan SiC. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1, penggunaan kaedah implantasi bersama mempercepatkan pecahan simpang pn.

04

Disebabkan oleh isu-isu yang dinyatakan di atas, doping p-GaN biasanya ditanam dan bukannya diimplan dalam transistor mobiliti elektron tinggi (HEMTs) p-GaN e-mod. Satu aplikasi implantasi ion dalam HEMT ialah pengasingan peranti sisi. Pelbagai spesies implan, seperti hidrogen (H), N, besi (Fe), argon (Ar), dan oksigen (O), telah dicuba. Mekanisme ini terutamanya berkaitan dengan pembentukan perangkap yang berkaitan dengan kerosakan. Kelebihan kaedah ini berbanding proses pengasingan mesa etch ialah kerataan peranti. Rajah 2-1 menerangkan hubungan antara rintangan lapisan pengasingan yang dicapai dan suhu penyepuhlindapan selepas implantasi. Seperti yang ditunjukkan dalam rajah, rintangan melebihi 107 Ohms/sq boleh dicapai.

Rajah 2: Hubungan antara rintangan lapisan pengasingan dan suhu penyepuhlindapan selepas pelbagai implantasi pengasingan GaN

Walaupun beberapa kajian telah dijalankan untuk mencipta sesentuh n+ Ohmik dalam lapisan GaN menggunakan implantasi silikon (Si), pelaksanaan praktikal boleh mencabar kerana kepekatan kekotoran yang tinggi dan mengakibatkan kerosakan kekisi.Satu motivasi untuk menggunakan implantasi Si adalah untuk mencapai hubungan rintangan rendah melalui proses serasi Si CMOS atau proses aloi pasca logam tanpa menggunakan emas (Au).

05

Dalam HEMT, implantasi fluorin (F) dos rendah telah digunakan untuk meningkatkan voltan pecahan (BV) peranti dengan memanfaatkan keelektronegatifan kuat F. Pembentukan kawasan bercas negatif di bahagian belakang gas elektron 2-DEG menghalang suntikan elektron ke kawasan medan tinggi.

Rajah 3: (a) Ciri ke hadapan dan (b) IV songsang GaN SBD menegak menunjukkan peningkatan selepas implantasi F

Satu lagi aplikasi implantasi ion yang menarik dalam GaN ialah penggunaan implantasi F dalam Diod Penghalang Schottky (SBD) menegak. Di sini, implantasi F dilakukan pada permukaan di sebelah sentuhan anod atas untuk mencipta kawasan penamatan tepi rintangan tinggi. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3, arus terbalik dikurangkan sebanyak lima urutan magnitud, manakala BV dinaikkan.**