SiC ve GaN Güç Cihazlarında İyon İmplantasyon Teknolojisinin Zorlukları

Geniş bant aralıklı (WBG) yarı iletkenlerSilisyum Karbür(SiC) veGalyum Nitrür(GaN) güç elektroniği cihazlarında giderek daha önemli bir rol oynaması bekleniyor. Geleneksel Silikon (Si) cihazlara göre daha yüksek verimlilik, güç yoğunluğu ve anahtarlama frekansı gibi çeşitli avantajlar sunarlar.İyon implantasyonuSi cihazlarında seçici katkılama elde etmenin birincil yöntemidir. Ancak geniş bant aralıklı cihazlara uygulanırken bazı zorluklarla karşılaşılmaktadır. Bu makalede bu zorlukların bazılarına odaklanacağız ve bunların GaN güç cihazlarındaki potansiyel uygulamalarını özetleyeceğiz.

01

Pratik kullanımını çeşitli faktörler belirlerkatkı maddeleriyarı iletken cihaz imalatında:

Dolu kafes bölgelerinde düşük iyonlaşma enerjisi. Si iyonlaşabilir sığ donörlere (n-tipi katkılama için) ve alıcılara (p-tipi katkılama için) sahiptir. Bant aralığı içindeki daha derin enerji seviyeleri, özellikle oda sıcaklığında zayıf iyonizasyona neden olur ve bu da belirli bir doz için daha düşük iletkenliğe yol açar. Kaynak malzemeleri, ticari iyon implanterlerinde iyonize edilebilir ve enjekte edilebilir. Katı ve gaz kaynaklı malzeme bileşikleri kullanılabilir ve bunların pratik kullanımı sıcaklık stabilitesine, güvenliğe, iyon üretim verimliliğine, kütle ayrımı için benzersiz iyonlar üretme yeteneğine ve istenen enerji yerleştirme derinliğine ulaşılmasına bağlıdır.

Ticari iyon implanterlerinde iyonize edilebilir ve enjekte edilebilir kaynak malzemeler. Katı ve gaz kaynaklı malzeme bileşikleri kullanılabilir ve bunların pratik kullanımı sıcaklık stabilitesine, güvenliğe, iyon üretim verimliliğine, kütle ayrımı için benzersiz iyonlar üretme yeteneğine ve istenen enerji yerleştirme derinliğine ulaşılmasına bağlıdır.

Tablo 1: SiC ve GaN güç cihazlarında kullanılan yaygın katkı maddeleri türleri

İmplante edilen materyal içindeki difüzyon oranları. Normal implantasyon sonrası tavlama koşulları altında yüksek difüzyon oranları, kontrolsüz bağlantılara ve katkı maddesinin cihazın istenmeyen alanlarına yayılmasına yol açarak cihaz performansının düşmesine neden olabilir.

Etkinleştirme ve hasar kurtarma. Katkı aktivasyonu, yüksek sıcaklıklarda boşlukların oluşturulmasını içerir ve implante edilen iyonların ara konumlardan ikame kafes konumlarına hareket etmesine izin verir. İmplantasyon işlemi sırasında oluşan amorfizasyon ve kristal kusurların onarılması için hasarın iyileşmesi çok önemlidir.

Tablo 1'de SiC ve GaN cihaz imalatında yaygın olarak kullanılan bazı katkı maddeleri türleri ve bunların iyonizasyon enerjileri listelenmektedir.

Hem SiC hem de GaN'de n-tipi katkılama, sığ katkılayıcılarla nispeten basit olsa da, iyon implantasyonu yoluyla p-tipi katkılama oluşturmadaki temel zorluk, mevcut elementlerin yüksek iyonizasyon enerjisidir.

02

Bazı anahtar implantasyon vetavlama özellikleriGaN şunları içerir:

SiC'den farklı olarak sıcak implantasyonun oda sıcaklığına göre önemli bir avantajı yoktur.

GaN için yaygın olarak kullanılan n-tipi katkı maddesi Si, iki kutuplu olabilir ve bulunduğu yere bağlı olarak n-tipi ve/veya p-tipi davranış sergileyebilir. Bu, GaN büyüme koşullarına bağlı olabilir ve kısmi telafi etkilerine yol açabilir.

Katkısız GaN'deki yüksek arka plan elektron konsantrasyonu nedeniyle GaN'nin P-katkılanması daha zordurMalzemeyi p-tipine dönüştürmek için yüksek düzeyde Magnezyum (Mg) p-tipi katkı maddesi gerektirir. Bununla birlikte, yüksek dozlar yüksek düzeyde kusurlara neden olur, bu da taşıyıcının yakalanmasına ve daha derin enerji seviyelerinde telafi edilmesine yol açarak zayıf katkı aktivasyonuna neden olur.

GaN, atmosferik basınç altında 840°C'nin üzerindeki sıcaklıklarda ayrışır ve yüzeyde N kaybına ve Ga damlacıklarının oluşmasına neden olur. Hızlı termal tavlamanın (RTA) çeşitli biçimleri ve SiO2 gibi koruyucu katmanlar kullanılmıştır. Tavlama sıcaklıkları SiC için kullanılanlara kıyasla tipik olarak daha düşüktür (<1500°C). Yüksek basınç, çok çevrimli RTA, mikrodalga ve lazer tavlama gibi çeşitli yöntemler denenmiştir. Bununla birlikte, p+ implantasyon temaslarına ulaşmak hala bir zorluktur.

03

Dikey Si ve SiC güç cihazlarında kenar sonlandırma için yaygın bir yaklaşım, iyon implantasyonu yoluyla p tipi bir katkı halkası oluşturmaktır.Eğer seçici katkılama gerçekleştirilebilirse, bu aynı zamanda dikey GaN cihazlarının oluşumunu da kolaylaştıracaktır. Magnezyum (Mg) katkılı iyon implantasyonu çeşitli zorluklarla karşı karşıyadır ve bunlardan bazıları aşağıda listelenmiştir.

1. Yüksek iyonizasyon potansiyeli (Tablo 1'de gösterildiği gibi).

2. İmplantasyon işlemi sırasında oluşan kusurlar kalıcı kümelerin oluşmasına ve devre dışı kalmasına neden olabilir.

3. Aktivasyon için yüksek sıcaklıklar (>1300°C) gereklidir. Bu, GaN'nin ayrışma sıcaklığını aşar ve özel yöntemler gerektirir. Başarılı bir örnek, 1 GPa'da N2 basıncıyla ultra yüksek basınçlı tavlamanın (UHPA) kullanılmasıdır. 1300-1480°C'de tavlama %70'in üzerinde aktivasyon sağlar ve iyi yüzey taşıyıcı hareketliliği sergiler.

4. Bu yüksek sıcaklıklarda, magnezyum difüzyonu hasarlı bölgelerdeki nokta kusurlarıyla etkileşime girer ve bu da kademeli bağlantılara neden olabilir. p-GaN e-mod HEMT'lerde Mg dağılımının kontrolü, MOCVD veya MBE büyüme süreçleri kullanılırken bile önemli bir zorluktur.

Şekil 1: Mg/N ortak implantasyonu yoluyla artan pn bağlantı arıza voltajı

Azotun (N) Mg ile birlikte implantasyonunun, Mg katkı maddelerinin aktivasyonunu iyileştirdiği ve difüzyonu baskıladığı gösterilmiştir.Geliştirilmiş aktivasyon, N implantasyonu yoluyla boşluk topaklaşmasının engellenmesine atfedilir; bu, 1200°C'nin üzerindeki tavlama sıcaklıklarında bu boşlukların rekombinasyonunu kolaylaştırır. Ek olarak, N implantasyonunun oluşturduğu boşluklar Mg difüzyonunu sınırlayarak daha dik bağlantılara neden olur. Bu konsept, tam iyon implantasyon süreci yoluyla dikey düzlemsel GaN MOSFET'lerin üretilmesi için kullanılmıştır. 1200V cihazın spesifik açık direnci (RDSon) etkileyici bir 0,14 Ohm-mm2'ye ulaştı. Bu işlem büyük ölçekli üretim için kullanılabilirse, uygun maliyetli olabilir ve Si ve SiC düzlemsel dikey güç MOSFET üretiminde kullanılan ortak işlem akışını takip edebilir. Şekil 1'de gösterildiği gibi, birlikte implantasyon yöntemlerinin kullanılması pn bağlantılarının bozulmasını hızlandırır.

04

Yukarıda belirtilen sorunlardan dolayı, p-GaN katkılaması tipik olarak p-GaN e-mod yüksek elektron hareketlilik transistörlerine (HEMT'ler) implante edilmek yerine büyütülür. HEMT'lerde iyon implantasyonunun bir uygulaması, yanal cihaz izolasyonudur. Hidrojen (H), N, demir (Fe), argon (Ar) ve oksijen (O) gibi çeşitli implant türleri denenmiştir. Mekanizma esas olarak hasarla ilişkili tuzak oluşumuyla ilgilidir. Bu yöntemin mesa aşındırma izolasyon işlemlerine göre avantajı cihazın düzlüğüdür. Şekil 2-1, elde edilen izolasyon katmanı direnci ile implantasyon sonrası tavlama sıcaklığı arasındaki ilişkiyi açıklamaktadır. Şekilde görüldüğü gibi 107 Ohm/m2'nin üzerinde dirençlere ulaşılabilir.

Şekil 2: Çeşitli GaN izolasyon implantasyonlarından sonra izolasyon katmanı direnci ile tavlama sıcaklığı arasındaki ilişki

Silikon (Si) implantasyonu kullanılarak GaN katmanlarında n+ Ohmik kontaklar oluşturmaya yönelik çeşitli çalışmalar yapılmış olmasına rağmen, yüksek safsızlık konsantrasyonları ve bunun sonucunda ortaya çıkan kafes hasarı nedeniyle pratik uygulama zor olabilir.Si implantasyonunu kullanmanın bir motivasyonu, Si CMOS uyumlu işlemler veya sonraki metal sonrası alaşım işlemleri yoluyla altın (Au) kullanılmadan düşük dirençli temaslar elde etmektir.

05

HEMT'lerde, F'nin güçlü elektronegatifliğinden yararlanarak cihazların arıza voltajını (BV) arttırmak için düşük dozda flor (F) implantasyonu kullanılmıştır. 2-DEG elektron gazının arka tarafında negatif yüklü bir bölgenin oluşması, elektronların yüksek alan bölgelerine enjeksiyonunu bastırır.

Şekil 3: F implantasyonundan sonra iyileşme gösteren dikey GaN SBD'nin (a) ileri özellikleri ve (b) ters IV'ü

GaN'de iyon implantasyonunun bir başka ilginç uygulaması, dikey Schottky Bariyer Diyotlarında (SBD'ler) F implantasyonunun kullanılmasıdır. Burada, yüksek dirençli bir kenar sonlandırma bölgesi oluşturmak için üst anot kontağının yanındaki yüzeye F implantasyonu gerçekleştirilir. Şekil 3'te gösterildiği gibi ters akım beş kat azaltılırken BV artırılır.**