SiC және GaN қуат құрылғыларында ионды имплантациялау технологиясының қиындықтары

сияқты кең диапазонды (WBG) жартылай өткізгіштерКремний карбиді(SiC) жәнеГалий нитриді(GaN) қуатты электронды құрылғыларда барған сайын маңызды рөл атқарады деп күтілуде. Олар дәстүрлі кремний (Si) құрылғыларына қарағанда жоғары тиімділікті, қуат тығыздығын және ауысу жиілігін қоса алғанда, бірнеше артықшылықтарды ұсынады.Иондық имплантацияSi құрылғыларында селективті допингке қол жеткізудің негізгі әдісі болып табылады. Дегенмен, оны кең ауқымды құрылғыларға қолдану кезінде кейбір қиындықтар бар. Бұл мақалада біз осы қиындықтардың кейбіріне назар аударамыз және олардың GaN қуат құрылғыларындағы әлеуетті қолданбаларын қорытындылаймыз.

01

Бірнеше факторлар практикалық пайдалануды анықтайдықоспа материалдаржартылай өткізгіш құрылғылар өндірісінде:

Жабылған тор учаскелеріндегі иондану энергиясы төмен. Si құрамында иондалатын таяз донорлар (n-типті қоспалар үшін) және акцепторлар (p-типті қоспалар үшін) элементтері бар. Жолақ аралықтағы тереңірек энергия деңгейлері нашар иондануға әкеледі, әсіресе бөлме температурасында, берілген доза үшін өткізгіштіктің төмендеуіне әкеледі. Бастапқы материалдар иондалатын және коммерциялық ион имплантерлерінде инъекцияға жарамды. Қатты және газды бастапқы материалдардың қосылыстарын қолдануға болады және олардың практикалық қолданылуы температураның тұрақтылығына, қауіпсіздігіне, иондардың генерациясының тиімділігіне, массаны бөлу үшін бірегей иондарды өндіру қабілетіне және қажетті энергия имплантациясының тереңдігіне қол жеткізуге байланысты.

Коммерциялық ион имплантерлерінде иондалатын және инъекцияға болатын бастапқы материалдар. Қатты және газды бастапқы материалдардың қосылыстарын қолдануға болады және олардың практикалық қолданылуы температураның тұрақтылығына, қауіпсіздігіне, иондардың генерациясының тиімділігіне, массаны бөлу үшін бірегей иондарды өндіру қабілетіне және қажетті энергия имплантациясының тереңдігіне қол жеткізуге байланысты.

1-кесте: SiC және GaN қуат құрылғыларында қолданылатын жалпы қоспа түрлері

Имплантацияланған материал ішіндегі диффузия жылдамдығы. Имплантациядан кейінгі қалыпты жасыту жағдайында жоғары диффузия жылдамдығы бақыланбайтын қосылыстарға және құрылғының қажетсіз аймақтарына қоспаның диффузиясына әкелуі мүмкін, бұл құрылғы өнімділігінің нашарлауына әкеледі.

Іске қосу және зақымдануды қалпына келтіру. Допантты белсендіру имплантацияланған иондардың интерстициалды позициялардан алмастырушы тор позицияларына өтуіне мүмкіндік беретін жоғары температурада бос орындарды құруды қамтиды. Зақымдануды қалпына келтіру имплантация процесінде пайда болған аморфизация мен кристалдық ақауларды жөндеу үшін өте маңызды.

1-кестеде SiC және GaN құрылғыларын өндіруде жиі қолданылатын қоспалардың кейбір түрлері және олардың иондану энергиялары келтірілген.

SiC және GaN екеуінде де n-типті қоспалау таяз қоспалармен салыстырмалы түрде қарапайым болғанымен, иондарды имплантациялау арқылы p-типті қоспаларды жасаудағы негізгі мәселе қол жетімді элементтердің жоғары иондану энергиясы болып табылады.

02

Кейбір негізгі имплантация жәнекүйдіргіш сипаттамаларыGaN мыналарды қамтиды:

SiC-тен айырмашылығы, бөлме температурасымен салыстырғанда ыстық имплантацияны қолданудың айтарлықтай артықшылығы жоқ.

GaN үшін жиі қолданылатын n-типті қоспасы Si оның жұмыс орнына байланысты n-типті және/немесе p-типті мінез-құлықты көрсететін амбиполярлы болуы мүмкін. Бұл GaN өсу шарттарына байланысты және ішінара өтемақы әсерлеріне әкелуі мүмкін.

GaN-ның P-қосылуы қосылмаған GaN-дегі электрондардың фоны жоғары концентрациясына байланысты қиынырақ, материалды p-түріне түрлендіру үшін жоғары деңгейдегі магний (Mg) p-типті қоспаны қажет етеді. Дегенмен, жоғары дозалар ақаулардың жоғары деңгейіне әкеліп соғады, бұл тасымалдаушыны ұстауға және энергияның тереңірек деңгейлерінде өтемақыға әкеліп соғады, нәтижесінде қоспаны белсендіру нашар болады.

GaN атмосфералық қысымда 840°С жоғары температурада ыдырайды, бұл N жоғалуына және бетінде Ga тамшыларының пайда болуына әкеледі. Жылдам термиялық күйдірудің (RTA) әртүрлі формалары және SiO2 сияқты қорғаныс қабаттары қолданылды. Күйдіру температурасы әдетте SiC үшін қолданылатын температурамен салыстырғанда төмен (<1500°C). Жоғары қысымды, көп циклді RTA, микротолқынды пеш және лазерлік күйдіру сияқты бірнеше әдістер қолданылды. Дегенмен, p+ имплантация контактілеріне қол жеткізу қиын болып қала береді.

03

Тік Si және SiC қуат құрылғыларында жиекті тоқтатудың жалпы тәсілі иондық имплантация арқылы p-типті қоспалау сақинасын жасау болып табылады.Егер селективті допингке қол жеткізуге болатын болса, ол сонымен қатар тік GaN құрылғыларының қалыптасуын жеңілдетеді. Магний (Mg) қоспалы ионын имплантациялау бірнеше қиындықтарға тап болады және олардың кейбіреулері төменде келтірілген.

1. Жоғары иондану потенциалы (1-кестеде көрсетілгендей).

2. Имплантация процесінде пайда болған ақаулар деактивацияны тудыратын тұрақты кластерлердің пайда болуына әкелуі мүмкін.

3. Іске қосу үшін жоғары температура (>1300°C) қажет. Бұл GaN ыдырау температурасынан асып түседі, бұл арнайы әдістерді қажет етеді. Сәтті мысалдардың бірі - 1 ГПа-да N2 қысымымен ультра жоғары қысымды күйдіруді (UHPA) пайдалану. 1300-1480°C күйдіру 70%-дан астам белсендіруге қол жеткізеді және жақсы беттік тасымалдаушы қозғалғыштығын көрсетеді.

4. Осы жоғары температураларда магний диффузиясы зақымдалған аймақтардағы нүкте ақауларымен әрекеттеседі, нәтижесінде деңгейлі түйіспелер пайда болуы мүмкін. p-GaN электрондық режиміндегі HEMT-де Mg таралуын бақылау, тіпті MOCVD немесе MBE өсу процестерін пайдаланған кезде де маңызды мәселе болып табылады.

1-сурет: Mg/N коимплантациясы арқылы pn өткелінің бұзылу кернеуінің жоғарылауы

Азотты (N) Mg-мен бірге имплантациялау Mg қоспаларының белсендірілуін жақсартады және диффузияны басады.Жақсартылған белсендіру N имплантациясы арқылы бос орындардың агломерациясын тежеумен байланысты, бұл 1200°C жоғары күйдіру температурасында осы бос орындардың рекомбинациясын жеңілдетеді. Сонымен қатар, N имплантациясы нәтижесінде пайда болатын бос орындар Mg диффузиясын шектейді, нәтижесінде тік түйіспелер пайда болады. Бұл тұжырымдама толық ионды имплантациялау процесі арқылы тік жазық GaN MOSFET өндіру үшін пайдаланылды. 1200 В құрылғысының меншікті кедергісі (RDSon) әсерлі 0,14 Ом-мм2-ге жетті. Егер бұл процесті ауқымды өндіріс үшін пайдалану мүмкін болса, ол үнемді болуы мүмкін және Si және SiC жазық тік қуатты MOSFET өндірісінде қолданылатын жалпы процесс ағынын ұстануы мүмкін. 1-суретте көрсетілгендей, коимплантация әдістерін қолдану pn өткелінің бұзылуын жылдамдатады.

04

Жоғарыда аталған мәселелерге байланысты, p-GaN допинг әдетте p-GaN e-режимі жоғары электронды ұтқырлық транзисторларына (HEMTs) имплантациядан гөрі өсіріледі. HEMT-де иондық имплантацияны қолданудың бірі құрылғының бүйірлік оқшаулануы болып табылады. Сутегі (H), N, темір (Fe), аргон (Ar) және оттегі (O) сияқты әртүрлі имплант түрлері қолданылды. Механизм негізінен зақымданумен байланысты тұзақтардың пайда болуына байланысты. Бұл әдістің меза-эч оқшаулау процестерімен салыстырғанда артықшылығы құрылғының тегістігі болып табылады. 2-1 суретте қол жеткізілген оқшаулау қабатының кедергісі мен имплантациядан кейінгі жасыту температурасы арасындағы байланыс сипатталған. Суретте көрсетілгендей, 107 Ом/кв астам кедергілерге қол жеткізуге болады.

2-сурет: Оқшаулау қабатының кедергісі мен әртүрлі GaN оқшаулау имплантациясынан кейін жасыту температурасы арасындағы байланыс

Кремний (Si) имплантациясы арқылы GaN қабаттарында n+ Омдық контактілерді құру бойынша бірнеше зерттеулер жүргізілгенімен, қоспалардың жоғары концентрациясына және тордың зақымдалуына байланысты практикалық іске асыру қиын болуы мүмкін.Si имплантациясын қолданудың бір мотивациясы Si CMOS үйлесімді процестері немесе алтынды (Au) пайдаланбай кейінгі металл қорытпасынан кейінгі процестер арқылы төмен қарсылықтағы контактілерге қол жеткізу болып табылады.

05

HEMT-де төмен дозалы фтор (F) имплантациясы F-ның күшті электртерістігі арқылы құрылғылардың бұзылу кернеуін (BV) арттыру үшін пайдаланылды. 2-DEG электрон газының артқы жағында теріс зарядталған аймақтың пайда болуы электрондардың жоғары өріс аймақтарына инъекциясын басады.

3-сурет: (a) алға сипаттамалар және (b) F имплантациясынан кейін жақсаруды көрсететін тік GaN SBD кері IV

GaN-де иондық имплантацияның тағы бір қызықты қолданбасы тік Шоттки тосқауыл диодтарында (SBD) F имплантациясын қолдану болып табылады. Мұнда F имплантациясы жоғары кедергісі бар жиекті аяқтау аймағын жасау үшін үстіңгі анодты контактінің жанындағы бетке орындалады. 3-суретте көрсетілгендей, кері ток бес реттік шамаға азаяды, ал BV артады.**