چالش‌های فناوری کاشت یون در دستگاه‌های قدرت SiC و GaN

نیمه هادی های پهن باند (WBG) مانندسیلیکون کاربید(SiC) ونیترید گالیومانتظار می رود (GaN) نقش مهمی را در دستگاه های الکترونیکی قدرت ایفا کند. آنها چندین مزیت را نسبت به دستگاه های سیلیکونی سنتی (Si) ارائه می دهند، از جمله راندمان بالاتر، چگالی توان و فرکانس سوئیچینگ.کاشت یونروش اولیه برای دستیابی به دوپینگ انتخابی در دستگاه های Si است. با این حال، هنگام اعمال آن در دستگاه‌های باندگپ گسترده، چالش‌هایی وجود دارد. در این مقاله بر روی برخی از این چالش‌ها تمرکز می‌کنیم و کاربردهای بالقوه آن‌ها را در دستگاه‌های قدرت GaN خلاصه می‌کنیم.

01

چندین عامل تعیین کننده استفاده عملی ازمواد ناخالصدر ساخت دستگاه های نیمه هادی:

انرژی یونیزاسیون پایین در سایت های شبکه اشغال شده Si دارای عناصر کم عمق قابل یونیزاسیون (برای دوپینگ نوع n) و پذیرنده (برای دوپینگ نوع p) است. سطوح انرژی عمیق تر در شکاف باند منجر به یونیزاسیون ضعیف، به ویژه در دمای اتاق، می شود که منجر به رسانایی کمتر برای دوز معین می شود. مواد منبع یونیزاسیون و تزریق در کاشت یون های تجاری هستند. ترکیبات مواد منبع جامد و گاز را می توان استفاده کرد و استفاده عملی از آنها به پایداری دما، ایمنی، راندمان تولید یون، توانایی تولید یون های منحصر به فرد برای جداسازی جرم و دستیابی به عمق کاشت انرژی مورد نظر بستگی دارد.

مواد منبع قابل یونیزاسیون و تزریق در کاشت یون های تجاری. ترکیبات مواد منبع جامد و گاز را می توان استفاده کرد و استفاده عملی از آنها به پایداری دما، ایمنی، راندمان تولید یون، توانایی تولید یون های منحصر به فرد برای جداسازی جرم و دستیابی به عمق کاشت انرژی مورد نظر بستگی دارد.

جدول 1: گونه های ناخالص رایج مورد استفاده در دستگاه های قدرت SiC و GaN

نرخ انتشار در مواد کاشته شده نرخ انتشار بالا در شرایط عادی بازپخت پس از کاشت می تواند منجر به اتصالات کنترل نشده و انتشار مواد ناخالص در مناطق نامطلوب دستگاه شود و در نتیجه عملکرد دستگاه را کاهش دهد.

فعال سازی و بازیابی آسیب. فعال‌سازی ناخالصی شامل ایجاد فضای خالی در دماهای بالا است که به یون‌های کاشته‌شده اجازه می‌دهد از موقعیت‌های بینابینی به موقعیت‌های شبکه جایگزین حرکت کنند. بازیابی آسیب برای ترمیم عیوب آمورفیزاسیون و کریستال ایجاد شده در طول فرآیند کاشت بسیار مهم است.

جدول 1 برخی از گونه های ناخالص رایج و انرژی های یونیزاسیون آنها را در ساخت دستگاه SiC و GaN فهرست می کند.

در حالی که دوپینگ نوع n در SiC و GaN نسبتاً ساده با مواد ناخالص کم عمق است، یک چالش کلیدی در ایجاد دوپینگ نوع p از طریق کاشت یون، انرژی یونیزاسیون بالای عناصر موجود است.

02

برخی از کاشت کلید وویژگی های آنیلینگGaN عبارتند از:

برخلاف SiC، هیچ مزیت قابل توجهی در استفاده از کاشت گرم در مقایسه با دمای اتاق وجود ندارد.

برای GaN، سی ناخالصی از نوع n که معمولاً استفاده می‌شود، می‌تواند دوقطبی باشد، بسته به موقعیت شغلی خود، رفتار نوع n و/یا نوع p را نشان می‌دهد. این ممکن است به شرایط رشد GaN بستگی داشته باشد و منجر به اثرات جبران جزئی شود.

P-doping GaN به دلیل غلظت بالای الکترون پس زمینه در GaN بدون دوپینگ چالش برانگیزتر است، برای تبدیل مواد به نوع p به سطوح بالایی از منیزیم (Mg) ناخالصی نوع p نیاز دارد. با این حال، دوزهای بالا منجر به سطوح بالایی از نقایص می شود که منجر به جذب حامل و جبران در سطوح انرژی عمیق تر می شود و در نتیجه فعال سازی ناخالصی ضعیفی ایجاد می کند.

GaN در دماهای بالاتر از 840 درجه سانتیگراد تحت فشار اتمسفر تجزیه می شود و منجر به از دست دادن N و تشکیل قطرات Ga در سطح می شود. اشکال مختلفی از بازپخت حرارتی سریع (RTA) و لایه های محافظ مانند SiO2 به کار گرفته شده است. دمای بازپخت معمولاً در مقایسه با دمای استفاده شده برای SiC کمتر است (<1500 درجه سانتیگراد). روش‌های متعددی مانند بازپخت با فشار بالا، RTA چند چرخه، مایکروویو و آنیل لیزری انجام شده است. با این وجود، دستیابی به تماس های کاشت p+ یک چالش باقی می ماند.

03

در دستگاه های قدرت Si و SiC عمودی، یک رویکرد رایج برای پایان دادن به لبه، ایجاد یک حلقه دوپینگ نوع p از طریق کاشت یون است.اگر بتوان به دوپینگ انتخابی دست یافت، تشکیل دستگاه های عمودی GaN را نیز تسهیل می کند. کاشت یون ناخالص منیزیم (Mg) با چالش های متعددی مواجه است که برخی از آنها در زیر ذکر شده است.

1. پتانسیل یونیزاسیون بالا (همانطور که در جدول 1 نشان داده شده است).

2. نقص های ایجاد شده در طول فرآیند کاشت ممکن است منجر به تشکیل خوشه های دائمی شود که باعث غیرفعال شدن می شود.

3. دمای بالا (> 1300 درجه سانتیگراد) برای فعال سازی مورد نیاز است. این از دمای تجزیه GaN فراتر می رود و به روش های خاصی نیاز دارد. یک مثال موفق، استفاده از آنیل فشار فوق العاده بالا (UHPA) با فشار N2 در 1 گیگا پاسکال است. بازپخت در دمای 1300-1480 درجه سانتیگراد بیش از 70 درصد فعال می شود و تحرک سطحی خوبی را نشان می دهد.

4. در این دماهای بالا، انتشار منیزیم با نقایص نقطه ای در مناطق آسیب دیده تعامل دارد که می تواند منجر به اتصالات درجه بندی شود. کنترل توزیع منیزیم در HEMT های حالت الکترونیکی p-GaN یک چالش کلیدی است، حتی در هنگام استفاده از فرآیندهای رشد MOCVD یا MBE.

شکل 1: افزایش ولتاژ شکست اتصال pn از طریق کاشت همزمان Mg/N

نشان داده شده است که کاشت همزمان نیتروژن (N) با منیزیم باعث بهبود فعال شدن مواد ناخالص منیزیم و سرکوب انتشار می شود.فعال‌سازی بهبود یافته به مهار تجمع جای خالی توسط کاشت نیتروژن نسبت داده می‌شود، که ترکیب مجدد این جاهای خالی را در دماهای بازپخت بالای 1200 درجه سانتی گراد تسهیل می‌کند. علاوه بر این، جاهای خالی ایجاد شده توسط کاشت نیتروژن، انتشار منیزیم را محدود می کند، که منجر به اتصالات تندتر می شود. این مفهوم برای ساخت ماسفت های GaN مسطح عمودی از طریق فرآیند کاشت یون کامل استفاده شده است. مقاومت ویژه (RDSon) دستگاه 1200 ولت به 0.14 Ohms-mm2 چشمگیر رسید. اگر بتوان از این فرآیند برای تولید در مقیاس بزرگ استفاده کرد، می‌تواند مقرون‌به‌صرفه باشد و از جریان فرآیند رایج مورد استفاده در ساخت ماسفت عمودی مسطح Si و SiC پیروی کند. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، استفاده از روش های هم کاشت باعث تسریع شکست اتصال pn می شود.

04

با توجه به مسائل فوق الذکر، دوپینگ p-GaN معمولاً به جای کاشت در ترانزیستورهای با تحرک الکترون بالا (HEMT) در حالت e-mode رشد می‌کند. یکی از کاربردهای کاشت یون در HEMT ها جداسازی دستگاه جانبی است. گونه های مختلف ایمپلنت مانند هیدروژن (H)، N، آهن (Fe)، آرگون (Ar)، و اکسیژن (O)، تلاش شده است. مکانیسم عمدتاً مربوط به تشکیل تله مرتبط با آسیب است. مزیت این روش در مقایسه با فرآیندهای جداسازی mesa etch صاف بودن دستگاه است. شکل 2-1 رابطه بین مقاومت لایه ایزوله به دست آمده و دمای بازپخت پس از کاشت را شرح می دهد. همانطور که در شکل نشان داده شده است، مقاومت های بیش از 107 اهم بر مربع را می توان به دست آورد.

شکل 2: رابطه بین مقاومت لایه ایزوله و دمای بازپخت پس از کاشت های مختلف جداسازی GaN

اگرچه مطالعات متعددی بر روی ایجاد تماس‌های n + اهمی در لایه‌های GaN با استفاده از کاشت سیلیکون (Si) انجام شده است، اجرای عملی می‌تواند به دلیل غلظت بالای ناخالصی و در نتیجه آسیب شبکه چالش‌برانگیز باشد.یکی از انگیزه‌های استفاده از کاشت Si، دستیابی به تماس‌های با مقاومت پایین از طریق فرآیندهای سازگار با Si CMOS یا فرآیندهای آلیاژی پس از فلز بدون استفاده از طلا (Au) است.

05

در HEMT ها، کاشت فلوئور با دوز پایین (F) برای افزایش ولتاژ شکست (BV) دستگاه ها با استفاده از الکترونگاتیوی قوی F استفاده شده است. تشکیل یک ناحیه با بار منفی در پشت گاز الکترونی 2-DEG باعث سرکوب تزریق الکترون ها به مناطق با میدان زیاد می شود.

شکل 3: (الف) مشخصات رو به جلو و (ب) IV معکوس GaN SBD عمودی که بهبود را پس از کاشت F نشان می دهد.

یکی دیگر از کاربردهای جالب کاشت یون در GaN، استفاده از کاشت F در دیودهای مانع شاتکی عمودی (SBD) است. در اینجا، کاشت F بر روی سطح در کنار تماس آند بالایی انجام می شود تا یک ناحیه پایانی لبه با مقاومت بالا ایجاد شود. همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، جریان معکوس به میزان پنج مرتبه کاهش می یابد، در حالی که BV افزایش می یابد.**