Utmaningar med jonimplantationsteknik i SiC och GaN Power Devices

Wide bandgap (WBG) halvledare som t.exKiselkarbid(SiC) ochGalliumnitrid(GaN) förväntas spela en allt viktigare roll i kraftelektroniska enheter. De erbjuder flera fördelar jämfört med traditionella Silicon (Si)-enheter, inklusive högre effektivitet, effekttäthet och växlingsfrekvens.Jonimplantationär den primära metoden för att uppnå selektiv dopning i Si-enheter. Det finns dock vissa utmaningar när du applicerar det på enheter med stort bandgap. I den här artikeln kommer vi att fokusera på några av dessa utmaningar och sammanfatta deras potentiella tillämpningar i GaN-kraftenheter.

01

Flera faktorer avgör den praktiska användningen avdopningsmaterialvid tillverkning av halvledarenheter:

Låg joniseringsenergi i de ockuperade gitterplatserna. Si har joniserbara grunda donatorer (för dopning av n-typ) och acceptorer (för dopning av p-typ). De djupare energinivåerna inom bandgapet resulterar i dålig jonisering, särskilt vid rumstemperatur, vilket leder till lägre konduktivitet för en given dos. Källmaterial joniserbara och injicerbara i kommersiella jonimplantatörer. Fasta material och gaskällmaterialföreningar kan användas, och deras praktiska användning beror på temperaturstabilitet, säkerhet, jongenereringseffektivitet, förmåga att producera unika joner för massseparering och uppnå önskat energiimplantationsdjup.

Källmaterial joniserbara och injicerbara i kommersiella jonimplantatörer. Fasta material och gaskällmaterialföreningar kan användas, och deras praktiska användning beror på temperaturstabilitet, säkerhet, jongenereringseffektivitet, förmåga att producera unika joner för massseparering och uppnå önskat energiimplantationsdjup.

Tabell 1: Vanliga dopningsarter som används i SiC- och GaN-kraftenheter

Diffusionshastigheter i det implanterade materialet. Höga diffusionshastigheter under normala efterimplantationsglödgningsförhållanden kan leda till okontrollerade kopplingar och dopmedelsdiffusion till oönskade områden av enheten, vilket resulterar i försämrad enhetsprestanda.

Aktivering och skadeåterställning. Dopantaktivering innebär att vakanser genereras vid höga temperaturer, vilket gör att de implanterade jonerna kan flyttas från interstitiell position till substitutionella gitterpositioner. Återvinning av skador är avgörande för att reparera amorfisering och kristalldefekter som skapas under implantationsprocessen.

Tabell 1 listar några vanliga dopningsarter och deras joniseringsenergier vid tillverkning av SiC- och GaN-enheter.

Medan dopning av n-typ i både SiC och GaN är relativt okomplicerad med grunda dopningsmedel, är en viktig utmaning för att skapa p-typdopning genom jonimplantation den höga joniseringsenergin hos tillgängliga element.

02

Vissa nyckelimplantationer ochglödgningsegenskaperav GaN inkluderar:

Till skillnad från SiC finns det ingen betydande fördel med att använda varmimplantation jämfört med rumstemperatur.

För GaN kan det vanligen använda dopämnet Si av n-typ vara ambipolärt och uppvisa beteende av n-typ och/eller p-typ beroende på dess ockupationsställe. Detta kan bero på GaN-tillväxtförhållanden och leda till partiella kompensationseffekter.

P-dopning av GaN är mer utmanande på grund av den höga bakgrundselektronkoncentrationen i odopat GaN, som kräver höga halter av magnesium (Mg) p-typ dopningsmedel för att omvandla materialet till p-typ. Höga doser resulterar dock i höga nivåer av defekter, vilket leder till bärarfångning och kompensation vid djupare energinivåer, vilket resulterar i dålig aktivering av dopningsmedel.

GaN sönderdelas vid temperaturer högre än 840°C under atmosfärstryck, vilket leder till N-förlust och bildandet av Ga-droppar på ytan. Olika former av snabb termisk glödgning (RTA) och skyddande skikt såsom SiO2 har använts. Glödgningstemperaturer är vanligtvis lägre (<1500°C) jämfört med de som används för SiC. Flera metoder såsom högtrycks-, flercykel-RTA, mikrovågsugn och laserglödgning har försökts. Ändå är det fortfarande en utmaning att uppnå p+ implantationskontakter.

03

I vertikala Si- och SiC-kraftenheter är ett vanligt tillvägagångssätt för kantavslutning att skapa en dopningsring av p-typ genom jonimplantation.Om selektiv dopning kan uppnås skulle det också underlätta bildandet av vertikala GaN-anordningar. Magnesium (Mg) dopant jonimplantation står inför flera utmaningar, och några av dem är listade nedan.

1. Hög joniseringspotential (som visas i tabell 1).

2. Defekter som genereras under implantationsprocessen kan leda till bildning av permanenta kluster, vilket orsakar inaktivering.

3. Höga temperaturer (>1300°C) krävs för aktivering. Detta överstiger nedbrytningstemperaturen för GaN, vilket kräver speciella metoder. Ett framgångsrikt exempel är användningen av ultrahögtrycksglödgning (UHPA) med N2-tryck vid 1 GPa. Glödgning vid 1300-1480°C uppnår över 70 % aktivering och uppvisar god ytbärarrörlighet.

4. Vid dessa höga temperaturer interagerar magnesiumdiffusion med punktdefekter i de skadade områdena, vilket kan resultera i graderade korsningar. Kontroll av Mg-distribution i p-GaN e-mode HEMTs är en viktig utmaning, även när man använder MOCVD- eller MBE-tillväxtprocesser.

Figur 1: Ökad pn-övergångsnedbrytningsspänning genom Mg/N-samimplantation

Samimplantation av kväve (N) med Mg har visat sig förbättra aktiveringen av Mg-dopämnen och undertrycka diffusion.Den förbättrade aktiveringen tillskrivs inhiberingen av vakansagglomerering genom N-implantation, vilket underlättar rekombinationen av dessa vakanser vid glödgningstemperaturer över 1200°C. Dessutom begränsar de vakanser som genereras av N-implantation diffusionen av Mg, vilket resulterar i brantare korsningar. Detta koncept har använts för att tillverka vertikala plana GaN MOSFETs genom en fullständig jonimplantationsprocess. Det specifika på-motståndet (RDSon) för 1200V-enheten nådde imponerande 0,14 Ohms-mm2. Om denna process kan användas för storskalig tillverkning, kan den vara kostnadseffektiv och följa det vanliga processflödet som används i Si- och SiC-planar vertikal effekt MOSFET-tillverkning. Som visas i figur 1 påskyndar användningen av samimplantationsmetoder nedbrytning av pn-övergången.

04

På grund av de ovannämnda problemen odlas p-GaN-dopning vanligtvis snarare än implanteras i p-GaN e-mode transistorer med hög elektronmobilitet (HEMT). En tillämpning av jonimplantation i HEMT är lateral enhetsisolering. Olika implantatarter, såsom väte (H), N, järn (Fe), argon (Ar) och syre (O), har försökts. Mekanismen är främst relaterad till fällbildning i samband med skada. Fördelen med denna metod jämfört med mesa-etsningsisoleringsprocesser är enhetens planhet. Figur 2-1 beskriver förhållandet mellan det uppnådda isoleringsskiktets motstånd och glödgningstemperaturen efter implantation. Som visas i figuren kan motstånd på över 107 ohm/kvadrat uppnås.

Figur 2: Förhållandet mellan isoleringsskiktets motstånd och glödgningstemperaturen efter olika GaN-isoleringsimplantationer

Även om flera studier har utförts på att skapa n+ ohmska kontakter i GaN-lager med hjälp av kiselimplantation (Si) kan praktisk implementering vara utmanande på grund av höga föroreningskoncentrationer och resulterande gallerskada.En motivation för att använda Si-implantation är att uppnå lågresistanskontakter genom Si CMOS-kompatibla processer eller efterföljande post-metallegeringsprocesser utan användning av guld (Au).

05

I HEMT:er har lågdos fluor (F) implantation använts för att öka nedbrytningsspänningen (BV) hos enheter genom att utnyttja F:s starka elektronegativitet. Bildandet av ett negativt laddat område på baksidan av 2-graders elektrongas undertrycker injiceringen av elektroner i högfältsområden.

Figur 3: (a) framåtriktade egenskaper och (b) omvänd IV av vertikal GaN SBD som visar förbättring efter F-implantation

En annan intressant tillämpning av jonimplantation i GaN är användningen av F-implantation i vertikala Schottky-barriärdioder (SBD). Här utförs F-implantation på ytan bredvid den övre anodkontakten för att skapa en kantavslutningsregion med hög motståndskraft. Som visas i figur 3 reduceras backströmmen med fem storleksordningar, medan BV ökas.**