Mga Hamon ng Ion Implantation Technology sa SiC at GaN Power Device

Wide bandgap (WBG) semiconductors tulad ngSilicon Carbide(SiC) atGallium Nitride(GaN) ay inaasahang gaganap ng lalong mahalagang papel sa mga power electronic device. Nag-aalok ang mga ito ng ilang mga pakinabang kaysa sa tradisyonal na mga aparatong Silicon (Si), kabilang ang mas mataas na kahusayan, density ng kuryente, at dalas ng paglipat.Pagtatanim ng ionay ang pangunahing paraan para sa pagkamit ng selective doping sa mga Si device. Gayunpaman, may ilang mga hamon kapag inilalapat ito sa malawak na bandgap na mga device. Sa artikulong ito, pagtutuunan natin ng pansin ang ilan sa mga hamong ito at ibuod ang kanilang mga potensyal na aplikasyon sa GaN power device.

01

Tinutukoy ng ilang salik ang praktikal na paggamit ngdopant na materyalessa paggawa ng semiconductor device:

Mababang enerhiya ng ionization sa mga inookupahang lattice site. Ang Si ay may mga ionizable shallow donor (para sa n-type doping) at acceptors (para sa p-type doping) na mga elemento. Ang mas malalim na mga antas ng enerhiya sa loob ng bandgap ay nagreresulta sa mahinang ionization, lalo na sa temperatura ng silid, na humahantong sa mas mababang conductivity para sa isang partikular na dosis. Mga mapagkukunang materyales na ionizable at injectable sa mga commercial ion implanter. Maaaring gamitin ang solid at gas source materials compound, at ang praktikal na paggamit nito ay nakasalalay sa katatagan ng temperatura, kaligtasan, kahusayan sa pagbuo ng ion, kakayahang makagawa ng mga natatanging ion para sa mass separation, at makamit ang nais na lalim ng pagtatanim ng enerhiya.

Pinagmulan ng mga materyal na ionizable at injectable sa komersyal na ion implanters. Maaaring gamitin ang solid at gas source materials compound, at ang praktikal na paggamit nito ay nakasalalay sa katatagan ng temperatura, kaligtasan, kahusayan sa pagbuo ng ion, kakayahang makagawa ng mga natatanging ion para sa mass separation, at makamit ang nais na lalim ng pagtatanim ng enerhiya.

Talahanayan 1: Karaniwang dopant species na ginagamit sa SiC at GaN power device

Mga rate ng pagsasabog sa loob ng itinanim na materyal. Ang mataas na mga rate ng diffusion sa ilalim ng normal na mga kondisyon ng post-implant annealing ay maaaring humantong sa hindi nakokontrol na mga junction at dopant diffusion sa mga hindi gustong bahagi ng device, na nagreresulta sa pagkasira ng performance ng device.

Pag-activate at pagbawi ng pinsala. Ang pag-activate ng dopant ay nagsasangkot ng pagbuo ng mga bakante sa mataas na temperatura, na nagpapahintulot sa mga nakatanim na ion na lumipat mula sa mga interstitial na posisyon patungo sa mga substitutional na posisyon ng lattice. Ang pagbawi ng pinsala ay mahalaga para sa pag-aayos ng amorphization at mga depektong kristal na nilikha sa panahon ng proseso ng pagtatanim.

Inililista ng Talahanayan 1 ang ilang karaniwang ginagamit na dopant species at ang kanilang ionization energies sa paggawa ng SiC at GaN device.

Habang ang n-type na doping sa parehong SiC at GaN ay medyo diretso sa mababaw na dopants, isang pangunahing hamon sa paglikha ng p-type na doping sa pamamagitan ng ion implantation ay ang mataas na enerhiya ng ionization ng mga magagamit na elemento.

02

Ilang key implantation atmga katangian ng pagsusubong GaN ay kinabibilangan ng:

Hindi tulad ng SiC, walang makabuluhang bentahe sa paggamit ng mainit na pagtatanim kumpara sa temperatura ng silid.

Para sa GaN, ang karaniwang ginagamit na n-type na dopant Si ay maaaring ambipolar, na nagpapakita ng n-type at/o p-type na pag-uugali depende sa lugar ng trabaho nito. Ito ay maaaring depende sa mga kondisyon ng paglago ng GaN at humantong sa bahagyang mga epekto ng kompensasyon.

Ang P-doping ng GaN ay mas mapaghamong dahil sa mataas na background ng electron concentration sa undoped GaN, na nangangailangan ng mataas na antas ng Magnesium (Mg) p-type dopant upang i-convert ang materyal sa p-type. Gayunpaman, ang mataas na dosis ay nagreresulta sa mataas na antas ng mga depekto, na humahantong sa pagkuha ng carrier at kabayaran sa mas malalim na antas ng enerhiya, na nagreresulta sa mahinang pag-activate ng dopant.

Nabubulok ang GaN sa mga temperaturang mas mataas sa 840°C sa ilalim ng atmospheric pressure, na humahantong sa pagkawala ng N at pagbuo ng mga droplet ng Ga sa ibabaw. Ang iba't ibang anyo ng mabilis na thermal annealing (RTA) at mga protective layer tulad ng SiO2 ay ginamit. Karaniwang mas mababa ang mga temperatura ng pagsusubo (<1500°C) kumpara sa mga ginagamit para sa SiC. Ilang mga pamamaraan tulad ng high-pressure, multi-cycle RTA, microwave, at laser annealing ang sinubukan. Gayunpaman, nananatiling hamon ang pagkamit ng p+ implantation contact.

03

Sa vertical na Si at SiC na mga power device, isang karaniwang diskarte para sa edge termination ay ang lumikha ng p-type doping ring sa pamamagitan ng ion implantation.Kung makakamit ang selective doping, mapadali din nito ang pagbuo ng mga vertical GaN device. Ang pagtatanim ng Magnesium (Mg) dopant ion ay nahaharap sa ilang mga hamon, at ang ilan sa mga ito ay nakalista sa ibaba.

1. Mataas na potensyal ng ionization (tulad ng ipinapakita sa Talahanayan 1).

2. Ang mga depekto na nabuo sa panahon ng proseso ng pagtatanim ay maaaring humantong sa pagbuo ng mga permanenteng kumpol, na nagiging sanhi ng pag-deactivate.

3. Ang mataas na temperatura (>1300°C) ay kinakailangan para sa pag-activate. Lumampas ito sa temperatura ng agnas ng GaN, na nangangailangan ng mga espesyal na pamamaraan. Ang isang matagumpay na halimbawa ay ang paggamit ng ultra-high pressure annealing (UHPA) na may N2 pressure sa 1 GPa. Ang pagsusubo sa 1300-1480°C ay nakakamit ng higit sa 70% na activation at nagpapakita ng magandang surface carrier mobility.

4. Sa mataas na temperaturang ito, ang magnesium diffusion ay nakikipag-ugnayan sa mga depekto sa punto sa mga nasirang rehiyon, na maaaring magresulta sa mga graded junction. Ang kontrol sa pamamahagi ng Mg sa mga p-GaN e-mode HEMT ay isang pangunahing hamon, kahit na gumagamit ng mga proseso ng paglago ng MOCVD o MBE.

Larawan 1: Tumaas na boltahe ng breakdown ng pn junction sa pamamagitan ng co-implantation ng Mg/N

Ang co-implantation ng nitrogen (N) kasama ang Mg ay ipinakita upang mapabuti ang pag-activate ng Mg dopants at sugpuin ang pagsasabog.Ang pinahusay na pag-activate ay naiugnay sa pagsugpo sa pagtitipon ng bakanteng lugar sa pamamagitan ng N implantation, na nagpapadali sa muling pagsasama-sama ng mga bakanteng ito sa mga temperatura ng pagsusubo sa itaas 1200°C. Bilang karagdagan, ang mga bakanteng nabuo sa pamamagitan ng N implantation ay nililimitahan ang pagsasabog ng Mg, na nagreresulta sa mas matarik na mga junction. Ginamit ang konseptong ito sa paggawa ng mga vertical planar GaN MOSFET sa pamamagitan ng buong proseso ng pagtatanim ng ion. Ang partikular na on-resistance (RDSon) ng 1200V device ay umabot sa isang kahanga-hangang 0.14 Ohms-mm2. Kung magagamit ang prosesong ito para sa malakihang pagmamanupaktura, maaari itong maging cost-effective at sundin ang karaniwang daloy ng proseso na ginagamit sa Si at SiC planar vertical power MOSFET fabrication. Tulad ng ipinapakita sa Figure 1, ang paggamit ng mga pamamaraan ng co-implantation ay nagpapabilis sa pagkasira ng pn junction.

04

Dahil sa mga nabanggit na isyu, ang p-GaN doping ay karaniwang pinalaki sa halip na itinanim sa p-GaN e-mode na high electron mobility transistors (HEMTs). Ang isang aplikasyon ng ion implantation sa HEMTs ay lateral device isolation. Ang iba't ibang uri ng implant, tulad ng hydrogen (H), N, iron (Fe), argon (Ar), at oxygen (O), ay sinubukan. Ang mekanismo ay pangunahing nauugnay sa pagbuo ng bitag na nauugnay sa pinsala. Ang bentahe ng pamamaraang ito kumpara sa mga proseso ng paghihiwalay ng mesa etch ay ang flatness ng device. Inilalarawan ng Figure 2-1 ang kaugnayan sa pagitan ng nakamit na paglaban sa isolation layer at ang temperatura ng pagsusubo pagkatapos ng pagtatanim. Tulad ng ipinapakita sa figure, ang mga resistensya ng higit sa 107 Ohms/sq ay maaaring makamit.

Figure 2: Relasyon sa pagitan ng isolation layer resistance at ang annealing temperature pagkatapos ng iba't ibang GaN isolation implantation

Bagama't ilang pag-aaral ang isinagawa sa paglikha ng mga n+ Ohmic na contact sa mga layer ng GaN gamit ang silicon (Si) implantation, ang praktikal na pagpapatupad ay maaaring maging hamon dahil sa mataas na konsentrasyon ng impurity at nagreresultang pinsala sa sala-sala.Ang isang motibasyon para sa paggamit ng Si implantation ay upang makamit ang mga contact na mababa ang resistensya sa pamamagitan ng mga prosesong katugma sa Si CMOS o mga kasunod na proseso ng post-metal alloy nang hindi gumagamit ng ginto (Au).

05

Sa HEMTs, ang low-dose fluorine (F) implantation ay ginamit upang mapataas ang breakdown voltage (BV) ng mga device sa pamamagitan ng paggamit ng malakas na electronegativity ng F. Ang pagbuo ng isang negatibong sisingilin na rehiyon sa likuran ng 2-DEG electron gas ay pinipigilan ang pag-iniksyon ng mga electron sa mga rehiyon na may mataas na larangan.

Figure 3: (a) Forward na mga katangian at (b) reverse IV ng vertical GaN SBD na nagpapakita ng pagpapabuti pagkatapos ng F implantation

Ang isa pang kawili-wiling aplikasyon ng ion implantation sa GaN ay ang paggamit ng F implantation sa vertical Schottky Barrier Diodes (SBDs). Dito, ang F implantation ay ginagawa sa ibabaw sa tabi ng top anode contact para lumikha ng high-resistance edge termination region. Tulad ng ipinapakita sa Figure 3, ang reverse current ay nababawasan ng limang order ng magnitude, habang ang BV ay nadagdagan.**