Sfide della tecnologia di impianto ionico nei dispositivi di potenza SiC e GaN

Semiconduttori a banda larga (WBG) comeCarburo di silicio(SiC) eNitruro di gallio(GaN) dovrebbero svolgere un ruolo sempre più importante nei dispositivi elettronici di potenza. Offrono numerosi vantaggi rispetto ai tradizionali dispositivi al silicio (Si), tra cui maggiore efficienza, densità di potenza e frequenza di commutazione.Impianto ionicoè il metodo principale per ottenere il drogaggio selettivo nei dispositivi Si. Tuttavia, ci sono alcune sfide quando lo si applica a dispositivi con ampio gap di banda. In questo articolo ci concentreremo su alcune di queste sfide e riassumeremo le loro potenziali applicazioni nei dispositivi di potenza GaN.

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Diversi fattori determinano l'uso pratico dimateriali drogantinella produzione di dispositivi a semiconduttore:

Bassa energia di ionizzazione nei siti reticolari occupati. Il Si ha elementi donatori superficiali ionizzabili (per il drogaggio di tipo n) e accettori (per il drogaggio di tipo p). I livelli di energia più profondi all'interno del bandgap determinano una scarsa ionizzazione, soprattutto a temperatura ambiente, portando a una minore conduttività per una determinata dose. Materiali di origine ionizzabili e iniettabili negli impiantatori ionici commerciali. È possibile utilizzare composti di materiali di origine solida e gassosa e il loro uso pratico dipende dalla stabilità della temperatura, dalla sicurezza, dall'efficienza nella generazione di ioni, dalla capacità di produrre ioni unici per la separazione di massa e dal raggiungimento della profondità di impianto di energia desiderata.

Materiali sorgente ionizzabili e iniettabili in impiantatori ionici commerciali. È possibile utilizzare composti di materiali di origine solida e gassosa e il loro uso pratico dipende dalla stabilità della temperatura, dalla sicurezza, dall'efficienza nella generazione di ioni, dalla capacità di produrre ioni unici per la separazione di massa e dal raggiungimento della profondità di impianto di energia desiderata.

Tabella 1: Specie droganti comuni utilizzate nei dispositivi di potenza SiC e GaN

Velocità di diffusione all'interno del materiale impiantato. Velocità di diffusione elevate in normali condizioni di ricottura post-impianto possono portare a giunzioni incontrollate e diffusione del drogante in aree indesiderate del dispositivo, con conseguente peggioramento delle prestazioni del dispositivo.

Attivazione e recupero danni. L'attivazione del drogante comporta la generazione di posti vacanti ad alte temperature, consentendo agli ioni impiantati di spostarsi dalle posizioni interstiziali alle posizioni reticolari sostitutive. Il recupero dei danni è fondamentale per riparare l'amorfizzazione e i difetti dei cristalli creati durante il processo di impianto.

La tabella 1 elenca alcune specie droganti comunemente utilizzate e le relative energie di ionizzazione nella produzione di dispositivi SiC e GaN.

Mentre il drogaggio di tipo n sia nel SiC che nel GaN è relativamente semplice con droganti poco profondi, una sfida chiave nella creazione del drogaggio di tipo p attraverso l'impianto ionico è l'elevata energia di ionizzazione degli elementi disponibili.

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Alcuni impianti chiave eannealing characteristicsdi GaN includono:

A differenza del SiC, non vi è alcun vantaggio significativo nell’utilizzo dell’impianto a caldo rispetto alla temperatura ambiente.

Per GaN, il drogante di tipo n Si comunemente usato può essere ambipolare, esibendo un comportamento di tipo n e/o di tipo p a seconda del suo sito di occupazione. Ciò può dipendere dalle condizioni di crescita del GaN e portare a effetti di compensazione parziale.

Il drogaggio P del GaN è più impegnativo a causa dell'elevata concentrazione di elettroni di fondo nel GaN non drogato, che richiede alti livelli di drogante di tipo p di magnesio (Mg) per convertire il materiale in tipo p. Tuttavia, dosi elevate determinano livelli elevati di difetti, portando alla cattura e alla compensazione del portatore a livelli energetici più profondi, con conseguente scarsa attivazione del drogante.

Il GaN si decompone a temperature superiori a 840°C sotto pressione atmosferica, portando alla perdita di N e alla formazione di goccioline di Ga sulla superficie. Sono state impiegate varie forme di ricottura termica rapida (RTA) e strati protettivi come SiO2. Le temperature di ricottura sono generalmente inferiori (<1500°C) rispetto a quelle utilizzate per il SiC. Sono stati tentati diversi metodi come l'alta pressione, l'RTA multiciclo, le microonde e la ricottura laser. Tuttavia, ottenere contatti per l’impianto p+ rimane una sfida.

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Nei dispositivi di potenza Si e SiC verticali, un approccio comune per la terminazione del bordo consiste nel creare un anello drogante di tipo p tramite l'impianto ionico.Se fosse possibile ottenere un drogaggio selettivo, ciò faciliterebbe anche la formazione di dispositivi GaN verticali. L'impianto di ioni droganti di magnesio (Mg) deve affrontare diverse sfide, alcune delle quali sono elencate di seguito.

1. Elevato potenziale di ionizzazione (come mostrato nella Tabella 1).

2. I difetti generati durante il processo di impianto possono portare alla formazione di cluster permanenti, causandone la disattivazione.

3. Per l'attivazione sono necessarie temperature elevate (>1300°C). Questa supera la temperatura di decomposizione del GaN, richiedendo metodi speciali. Un esempio di successo è l’uso della ricottura ad altissima pressione (UHPA) con pressione di N2 a 1 GPa. La ricottura a 1300-1480°C raggiunge oltre il 70% di attivazione e mostra una buona mobilità dei trasportatori superficiali.

4. A queste temperature elevate, la diffusione del magnesio interagisce con i difetti puntuali nelle regioni danneggiate, che possono provocare giunzioni graduate. Il controllo della distribuzione del Mg negli HEMT in modalità elettronica p-GaN è una sfida fondamentale, anche quando si utilizzano processi di crescita MOCVD o MBE.

Figura 1: Aumento della tensione di rottura della giunzione pn attraverso il co-impianto Mg/N

È stato dimostrato che il co-impianto di azoto (N) con Mg migliora l'attivazione dei droganti di Mg e sopprime la diffusione.La migliore attivazione è attribuita all'inibizione dell'agglomerazione dei posti vacanti mediante l'impianto di N, che facilita la ricombinazione di questi posti vacanti a temperature di ricottura superiori a 1200°C. Inoltre, i posti vacanti generati dall'impianto di N limitano la diffusione di Mg, determinando giunzioni più ripide. Questo concetto è stato utilizzato per produrre MOSFET GaN planari verticali attraverso un processo di impiantazione ionica completa. La resistenza specifica (RDSon) del dispositivo da 1200 V ha raggiunto l'impressionante valore di 0,14 Ohm-mm2. Se questo processo potesse essere utilizzato per la produzione su larga scala, potrebbe essere conveniente e seguire il flusso di processo comune utilizzato nella fabbricazione di MOSFET di potenza verticali planari Si e SiC. Come mostrato nella Figura 1, l'uso di metodi di co-impianto accelera la rottura della giunzione pn.

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A causa dei problemi sopra menzionati, il drogaggio p-GaN viene generalmente coltivato anziché impiantato nei transistor ad alta mobilità elettronica (HEMT) p-GaN in modalità elettronica. Un'applicazione dell'impianto ionico negli HEMT è l'isolamento laterale del dispositivo. Sono state tentate varie specie di impianti, come idrogeno (H), N, ferro (Fe), argon (Ar) e ossigeno (O). Il meccanismo è principalmente legato alla formazione di trappole associate al danno. Il vantaggio di questo metodo rispetto ai processi di isolamento mesa etch è la planarità del dispositivo. La Figura 2-1 descrive la relazione tra la resistenza dello strato di isolamento ottenuta e la temperatura di ricottura dopo l'impianto. Come mostrato in figura si possono raggiungere resistenze superiori a 107 Ohm/mq.

Figura 2: Relazione tra la resistenza dello strato di isolamento e la temperatura di ricottura dopo vari impianti di isolamento GaN

Sebbene siano stati condotti diversi studi sulla creazione di contatti ohmici n+ in strati GaN utilizzando l'impianto di silicio (Si), l'implementazione pratica può essere complessa a causa delle elevate concentrazioni di impurità e dei conseguenti danni al reticolo.Una motivazione per l'utilizzo dell'impianto di Si è quella di ottenere contatti a bassa resistenza attraverso processi compatibili con Si CMOS o successivi processi di lega post-metallica senza l'uso di oro (Au).

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Negli HEMT, l’impianto di fluoro (F) a basse dosi è stato utilizzato per aumentare la tensione di rottura (BV) dei dispositivi sfruttando la forte elettronegatività di F. La formazione di una regione carica negativamente sul lato posteriore del gas di elettroni di 2-DEG sopprime l'iniezione di elettroni nelle regioni ad alto campo.

Figura 3: (a) Caratteristiche anteriori e (b) IV inverso del SBD GaN verticale che mostra un miglioramento dopo l'impianto di F

Un'altra interessante applicazione dell'impianto ionico nel GaN è l'uso dell'impianto F nei diodi a barriera Schottky (SBD) verticali. In questo caso, l'impianto F viene eseguito sulla superficie accanto al contatto dell'anodo superiore per creare una regione di terminazione del bordo ad alta resistenza. Come mostrato nella Figura 3, la corrente inversa viene ridotta di cinque ordini di grandezza, mentre la BV aumenta.**