SiC र GaN पावर उपकरणहरूमा आयन इम्प्लान्टेशन टेक्नोलोजीका चुनौतीहरू

वाइड ब्यान्डग्याप (WBG) अर्धचालकहरू जस्तैसिलिकन कार्बाइड(SiC) रग्यालियम नाइट्राइड(GaN) पावर इलेक्ट्रोनिक उपकरणहरूमा बढ्दो महत्त्वपूर्ण भूमिका खेल्ने अपेक्षा गरिएको छ। तिनीहरूले परम्परागत सिलिकन (Si) उपकरणहरूमा धेरै फाइदाहरू प्रस्ताव गर्छन्, उच्च दक्षता, पावर घनत्व, र स्विचिंग फ्रिक्वेन्सी सहित।आयन प्रत्यारोपणSi यन्त्रहरूमा चयनात्मक डोपिङ प्राप्त गर्ने प्राथमिक विधि हो। यद्यपि, फराकिलो ब्यान्डग्याप उपकरणहरूमा लागू गर्दा त्यहाँ केही चुनौतीहरू छन्। यस लेखमा, हामी यी मध्ये केही चुनौतीहरूमा ध्यान केन्द्रित गर्नेछौं र GaN पावर उपकरणहरूमा तिनीहरूको सम्भावित अनुप्रयोगहरू संक्षेप गर्नेछौं।

01

धेरै कारकहरूले व्यावहारिक प्रयोग निर्धारण गर्दछडोपेन्ट सामग्रीअर्धचालक उपकरण निर्माण मा:

कब्जा गरिएको जाली साइटहरूमा कम आयनीकरण ऊर्जा। Si सँग ionizable shallow दाताहरू (n-type डोपिङका लागि) र स्वीकारकर्ताहरू (p-प्रकार डोपिङका लागि) तत्वहरू छन्। ब्यान्डग्याप भित्रको गहिरो उर्जाको स्तरले खराब आयनीकरणको परिणाम दिन्छ, विशेष गरी कोठाको तापक्रममा, जसले दिइएको खुराकको लागि कम चालकता निम्त्याउँछ। स्रोत सामग्रीहरू आयनाइजेबल र कमर्शियल आयन इम्प्लान्टरहरूमा इंजेक्शन गर्न सकिन्छ। ठोस र ग्यास स्रोत सामग्री यौगिकहरू प्रयोग गर्न सकिन्छ, र तिनीहरूको व्यावहारिक प्रयोग तापमान स्थिरता, सुरक्षा, आयन उत्पादन दक्षता, सामूहिक विभाजनको लागि अद्वितीय आयनहरू उत्पादन गर्ने क्षमता, र इच्छित ऊर्जा प्रत्यारोपण गहिराइ प्राप्त गर्न निर्भर गर्दछ।

स्रोत सामग्रीहरू आयनाइजेबल र कमर्शियल आयन इम्प्लान्टरहरूमा इन्जेक्टेबल। ठोस र ग्याँस स्रोत सामग्री यौगिकहरू प्रयोग गर्न सकिन्छ, र तिनीहरूको व्यावहारिक प्रयोग तापक्रम स्थिरता, सुरक्षा, आयन उत्पादन दक्षता, सामूहिक विभाजनको लागि अद्वितीय आयनहरू उत्पादन गर्ने क्षमता, र इच्छित ऊर्जा प्रत्यारोपण गहिराइ प्राप्त गर्नमा निर्भर गर्दछ।

तालिका १: SiC र GaN पावर उपकरणहरूमा प्रयोग हुने साधारण डोपान्ट प्रजातिहरू

प्रत्यारोपित सामग्री भित्र प्रसार दर। सामान्य पोस्ट-इम्प्लान्ट एनिलिङ अवस्थाहरूमा उच्च प्रसार दरहरूले अनियन्त्रित जंक्शनहरू र यन्त्रको अवांछित क्षेत्रहरूमा डोपान्ट फैलावट निम्त्याउन सक्छ, जसको परिणामस्वरूप उपकरणको प्रदर्शन घट्छ।

सक्रियता र क्षति रिकभरी। डोपन्ट सक्रियताले उच्च तापक्रममा रिक्त स्थानहरू सिर्जना गर्ने समावेश गर्दछ, प्रत्यारोपित आयनहरूलाई मध्यवर्ती स्थानहरूबाट प्रतिस्थापन जाली स्थानहरूमा सार्न अनुमति दिन्छ। इम्प्लान्टेशन प्रक्रियाको समयमा सिर्जना गरिएको अमोर्फाइजेशन र क्रिस्टल दोषहरू मर्मत गर्नको लागि क्षति रिकभरी महत्त्वपूर्ण छ।

तालिका 1 ले SiC र GaN उपकरण निर्माणमा सामान्यतया प्रयोग हुने डोपान्ट प्रजातिहरू र तिनीहरूको आयनीकरण ऊर्जाहरू सूचीबद्ध गर्दछ।

जबकि SiC र GaN दुबैमा n-प्रकार डोपिङ उथले डोपेन्टहरूसँग तुलनात्मक रूपमा सीधा छ, आयन इम्प्लान्टेशन मार्फत p-प्रकार डोपिङ सिर्जना गर्ने प्रमुख चुनौती उपलब्ध तत्वहरूको उच्च आयनीकरण ऊर्जा हो।

02

केही प्रमुख प्रत्यारोपण रannealing विशेषताहरुGaN को समावेश छ:

SiC को विपरीत, कोठाको तापक्रमको तुलनामा तातो प्रत्यारोपण प्रयोगमा कुनै महत्त्वपूर्ण फाइदा छैन।

GaN को लागि, सामान्यतया प्रयोग गरिएको n-type dopant Si एम्बिपोलर हुन सक्छ, यसको पेशा साइटको आधारमा n-प्रकार र/वा p-प्रकारको व्यवहार प्रदर्शन गर्दछ। यसले GaN वृद्धि अवस्थाहरूमा निर्भर हुन सक्छ र आंशिक क्षतिपूर्ति प्रभावहरू निम्त्याउन सक्छ।

अनडप गरिएको GaN मा उच्च पृष्ठभूमि इलेक्ट्रोन एकाग्रताको कारण GaN को P-डोपिङ अधिक चुनौतीपूर्ण छ।, सामग्रीलाई p-प्रकारमा रूपान्तरण गर्न म्याग्नेसियम (Mg) p-type dopant को उच्च स्तर चाहिन्छ। यद्यपि, उच्च खुराकहरूले उच्च स्तरको दोषहरू निम्त्याउँछ, जसले वाहक कब्जा र क्षतिपूर्तिलाई गहिरो ऊर्जा स्तरहरूमा निम्त्याउँछ, परिणामस्वरूप डोपन्ट सक्रियता कमजोर हुन्छ।

GaN वायुमण्डलीय दबाव अन्तर्गत 840 डिग्री सेल्सियस भन्दा माथिको तापक्रममा विघटित हुन्छ, जसले N को क्षति र सतहमा Ga थोपाहरूको गठन निम्त्याउँछ। द्रुत थर्मल एनिलिङ (आरटीए) र सुरक्षात्मक तहहरू जस्तै SiO2 को विभिन्न रूपहरू कार्यरत छन्। एनिलिङ तापमान सामान्यतया कम हुन्छ (<1500°C) SiC को लागि प्रयोग गरिएको तुलनामा। धेरै विधिहरू जस्तै उच्च-दबाव, बहु-चक्र RTA, माइक्रोवेभ, र लेजर एनिलिङ प्रयास गरिएको छ। जे होस्, p+ इम्प्लान्टेशन सम्पर्कहरू प्राप्त गर्नु चुनौतीपूर्ण छ।

03

ठाडो Si र SiC पावर उपकरणहरूमा, किनारा समाप्तिको लागि एक साझा दृष्टिकोण आयन इम्प्लान्टेशन मार्फत पी-टाइप डोपिङ रिंग सिर्जना गर्नु हो।यदि चयनात्मक डोपिङ हासिल गर्न सकिन्छ भने, यसले ठाडो GaN यन्त्रहरूको गठनलाई पनि सहज बनाउँछ। म्याग्नेसियम (Mg) डोपान्ट आयन प्रत्यारोपणले धेरै चुनौतीहरूको सामना गर्दछ, र ती मध्ये केही तल सूचीबद्ध छन्।

1. उच्च आयनीकरण क्षमता (तालिका 1 मा देखाइएको छ)।

2. इम्प्लान्टेशन प्रक्रियाको क्रममा उत्पन्न हुने त्रुटिहरूले स्थायी क्लस्टरहरूको गठन निम्त्याउन सक्छ, जसले निष्क्रियता निम्त्याउँछ।

3. सक्रियताका लागि उच्च तापक्रम (>1300°C) आवश्यक छ। यसले GaN को विघटन तापमान नाघ्छ, विशेष विधिहरू आवश्यक पर्दछ। एउटा सफल उदाहरण 1 GPa मा N2 दबाबको साथ अल्ट्रा-हाई प्रेसर एनिलिङ (UHPA) को प्रयोग हो। 1300-1480 डिग्री सेल्सियसमा एनिलिङले 70% सक्रियता प्राप्त गर्दछ र राम्रो सतह वाहक गतिशीलता प्रदर्शन गर्दछ।

4. यी उच्च तापक्रमहरूमा, म्याग्नेसियम फैलावटले क्षतिग्रस्त क्षेत्रहरूमा बिन्दु दोषहरूसँग अन्तरक्रिया गर्दछ, जसको परिणाम ग्रेडेड जंक्शनहरू हुन सक्छ। P-GaN ई-मोड HEMTs मा Mg वितरणको नियन्त्रण एक प्रमुख चुनौती हो, MOCVD वा MBE वृद्धि प्रक्रियाहरू प्रयोग गर्दा पनि।

चित्र १: Mg/N सह-इम्प्लान्टेशन मार्फत बढेको pn जंक्शन ब्रेकडाउन भोल्टेज

Mg सँग नाइट्रोजन (N) को सह-इम्प्लान्टेशन Mg डोपेन्टको सक्रियता सुधार गर्न र प्रसारलाई दबाउन देखाइएको छ।सुधारिएको सक्रियतालाई एन इम्प्लान्टेशनद्वारा रिक्तता जमघटको अवरोधलाई श्रेय दिइएको छ, जसले १२०० डिग्री सेल्सियसभन्दा माथिको एनेलिङ तापक्रममा यी रिक्त स्थानहरूको पुन: संयोजनलाई सहज बनाउँछ। थप रूपमा, एन इम्प्लान्टेशन द्वारा उत्पन्न रिक्त स्थानहरूले Mg को प्रसारलाई सीमित गर्दछ, जसको परिणामस्वरूप स्टीपर जंक्शनहरू हुन्छन्। यो अवधारणा एक पूर्ण आयन प्रत्यारोपण प्रक्रिया मार्फत ठाडो planar GaN MOSFETs निर्माण गर्न प्रयोग गरिएको छ। 1200V उपकरणको विशिष्ट अन-प्रतिरोध (RDSon) एक प्रभावशाली 0.14 Ohms-mm2 पुग्यो। यदि यो प्रक्रिया ठूला-ठूला उत्पादनका लागि प्रयोग गर्न सकिन्छ भने, यो लागत-प्रभावी हुन सक्छ र Si र SiC प्लानर ठाडो शक्ति MOSFET निर्माणमा प्रयोग गरिएको साझा प्रक्रिया प्रवाहलाई पछ्याउनुहोस्। चित्र १ मा देखाइए अनुसार, सह-प्रत्यारोपण विधिहरूको प्रयोगले pn जंक्शन ब्रेकडाउनलाई गति दिन्छ।

04

माथि उल्लिखित मुद्दाहरूको कारण, p-GaN डोपिङ सामान्यतया p-GaN ई-मोड हाई इलेक्ट्रोन मोबिलिटी ट्रान्जिस्टर (HEMTs) मा प्रत्यारोपण गर्नुको सट्टा बढाइन्छ। HEMTs मा आयन प्रत्यारोपण को एक आवेदन पार्श्व उपकरण अलगाव छ। विभिन्न प्रत्यारोपण प्रजातिहरू, जस्तै हाइड्रोजन (H), N, फलाम (Fe), argon (Ar), र अक्सिजन (O), प्रयास गरिएको छ। संयन्त्र मुख्यतया क्षति संग सम्बन्धित जाल गठन संग सम्बन्धित छ। मेसा इच आइसोलेसन प्रक्रियाहरूको तुलनामा यस विधिको फाइदा भनेको यन्त्र समतलता हो। चित्र 2-1 ले प्राप्त अलगाव तह प्रतिरोध र प्रत्यारोपण पछि annealing तापमान बीचको सम्बन्ध वर्णन गर्दछ। चित्रमा देखाइए अनुसार, 107 Ohms/sq भन्दा बढीको प्रतिरोध प्राप्त गर्न सकिन्छ।

चित्र २: विभिन्न GaN अलगाव प्रत्यारोपण पछि अलगाव तह प्रतिरोध र annealing तापमान बीचको सम्बन्ध

यद्यपि सिलिकन (Si) इम्प्लान्टेशन प्रयोग गरेर गाएन तहहरूमा n+ ओहमिक सम्पर्कहरू सिर्जना गर्ने बारे धेरै अध्ययनहरू सञ्चालन गरिएको छ, तर उच्च अशुद्धता सांद्रता र जाली क्षतिको कारणले व्यावहारिक कार्यान्वयन चुनौतीपूर्ण हुन सक्छ।Si इम्प्लान्टेशन प्रयोग गर्नको लागि एउटा प्रेरणा भनेको सुन (Au) को प्रयोग बिना Si CMOS संगत प्रक्रियाहरू वा पछिको पोस्ट-मेटल मिश्र प्रक्रियाहरू मार्फत कम-प्रतिरोधी सम्पर्कहरू प्राप्त गर्नु हो।

05

HEMTs मा, कम-डोज फ्लोरिन (F) प्रत्यारोपण F को बलियो इलेक्ट्रोनेगेटिभिटीको लाभ उठाएर यन्त्रहरूको ब्रेकडाउन भोल्टेज (BV) बढाउन प्रयोग गरिएको छ। 2-DEG इलेक्ट्रोन ग्यासको पछाडि नकारात्मक रूपमा चार्ज गरिएको क्षेत्रको गठनले उच्च-क्षेत्र क्षेत्रहरूमा इलेक्ट्रोनहरूको इंजेक्शनलाई दबाउँछ।

चित्र 3: (क) फर्वार्ड विशेषताहरू र (b) ठाडो GaN SBD को उल्टो IV F प्रत्यारोपण पछि सुधार देखाउँदै

GaN मा आयन प्रत्यारोपणको अर्को रोचक अनुप्रयोग ठाडो Schottky Barrier Diodes (SBDs) मा F प्रत्यारोपणको प्रयोग हो। यहाँ, उच्च-प्रतिरोधी किनारा समाप्ति क्षेत्र सिर्जना गर्न शीर्ष एनोड सम्पर्कको छेउमा सतहमा एफ इम्प्लान्टेशन गरिन्छ। चित्र 3 मा देखाइएको रूपमा, रिभर्स वर्तमान परिमाणको पाँच अर्डर द्वारा घटाइएको छ, जबकि BV बढेको छ।**