Uitdagingen van ionenimplantatietechnologie in SiC- en GaN-vermogensapparaten

Halfgeleiders met brede bandafstand (WBG), zoalsSilicium carbide(SiC) enGalliumnitride(GaN) zullen naar verwachting een steeds belangrijkere rol spelen in vermogenselektronische apparaten. Ze bieden verschillende voordelen ten opzichte van traditionele silicium (Si)-apparaten, waaronder een hogere efficiëntie, vermogensdichtheid en schakelfrequentie.Ionenimplantatieis de primaire methode voor het bereiken van selectieve doping in Si-apparaten. Er zijn echter enkele uitdagingen bij de toepassing ervan op apparaten met een brede bandafstand. In dit artikel zullen we ons concentreren op enkele van deze uitdagingen en hun potentiële toepassingen in GaN-stroomapparaten samenvatten.

01

Verschillende factoren bepalen het praktische gebruik vandoteringsmaterialenbij de productie van halfgeleiderapparaten:

Lage ionisatie-energie in de bezette roosterlocaties. Si heeft ioniseerbare ondiepe donoren (voor n-type doping) en acceptoren (voor p-type doping) elementen. De diepere energieniveaus binnen de bandgap resulteren in een slechte ionisatie, vooral bij kamertemperatuur, wat leidt tot een lagere geleidbaarheid voor een gegeven dosis. Bronmaterialen zijn ioniseerbaar en injecteerbaar in commerciële ionenimplanteerders. Verbindingen van vaste stoffen en gasbronmaterialen kunnen worden gebruikt, en hun praktische gebruik hangt af van temperatuurstabiliteit, veiligheid, efficiëntie van ionengeneratie, vermogen om unieke ionen te produceren voor massascheiding en het bereiken van de gewenste energie-implantatiediepte.

Bronmaterialen die ioniseerbaar en injecteerbaar zijn in commerciële ionenimplanteerders. Verbindingen van vaste stoffen en gasbronmaterialen kunnen worden gebruikt, en hun praktische gebruik hangt af van temperatuurstabiliteit, veiligheid, efficiëntie van ionengeneratie, vermogen om unieke ionen te produceren voor massascheiding en het bereiken van de gewenste energie-implantatiediepte.

Tabel 1: Veel voorkomende soorten doteringsmiddelen die worden gebruikt in SiC- en GaN-vermogensapparaten

Verspreidingssnelheden binnen het geïmplanteerde materiaal. Hoge diffusiesnelheden onder normale omstandigheden na implantatie kunnen leiden tot ongecontroleerde juncties en diffusie van doteringsmiddel naar ongewenste delen van het apparaat, wat resulteert in verminderde prestaties van het apparaat.

Activering en schadeherstel. Activering van het doteermiddel omvat het genereren van vacatures bij hoge temperaturen, waardoor de geïmplanteerde ionen van interstitiële posities naar substitutionele roosterposities kunnen bewegen. Schadeherstel is cruciaal voor het herstellen van amorfisatie en kristaldefecten die tijdens het implantatieproces zijn ontstaan.

Tabel 1 geeft een overzicht van enkele veelgebruikte doteringssoorten en hun ionisatie-energieën bij de productie van SiC- en GaN-apparaten.

Hoewel n-type doping in zowel SiC als GaN relatief eenvoudig is met ondiepe doteerstoffen, is een belangrijke uitdaging bij het creëren van p-type doping door ionenimplantatie de hoge ionisatie-energie van de beschikbare elementen.

02

Enkele belangrijke implantatie engloei-eigenschappenvan GaN zijn onder meer:

In tegenstelling tot SiC is er geen significant voordeel bij het gebruik van warme implantatie vergeleken met kamertemperatuur.

Voor GaN kan het algemeen gebruikte n-type doteermiddel Si ambipolair zijn en n-type en/of p-type gedrag vertonen, afhankelijk van de plaats waar het wordt gebruikt. Dit kan afhankelijk zijn van de GaN-groeiomstandigheden en tot gedeeltelijke compensatie-effecten leiden.

P-dotering van GaN is een grotere uitdaging vanwege de hoge achtergrondelektronenconcentratie in ongedoteerd GaN, waarbij hoge niveaus van magnesium (Mg) p-type doteerstof nodig zijn om het materiaal in p-type om te zetten. Hoge doses resulteren echter in hoge niveaus van defecten, wat leidt tot het vangen en compenseren van dragers op diepere energieniveaus, wat resulteert in een slechte activering van het doteringsmiddel.

GaN ontleedt bij temperaturen hoger dan 840°C onder atmosferische druk, wat leidt tot N-verlies en de vorming van Ga-druppeltjes op het oppervlak. Er zijn verschillende vormen van snel thermisch uitgloeien (RTA) en beschermende lagen zoals Si02 toegepast. De gloeitemperaturen zijn doorgaans lager (<1500°C) vergeleken met de temperaturen die voor SiC worden gebruikt. Er zijn verschillende methoden geprobeerd, zoals hogedruk, RTA met meerdere cycli, microgolven en lasergloeien. Niettemin blijft het realiseren van p+ implantatiecontacten een uitdaging.

03

Bij verticale Si- en SiC-vermogensapparaten is een gebruikelijke benadering voor randafsluiting het creëren van een p-type doteringsring door middel van ionenimplantatie.Als selectieve doping kan worden bereikt, zou dit ook de vorming van verticale GaN-apparaten vergemakkelijken. Implantatie van magnesium (Mg)-doteringionen kent verschillende uitdagingen, waarvan er enkele hieronder worden opgesomd.

1. Hoog ionisatiepotentieel (zoals weergegeven in Tabel 1).

2. Defecten die tijdens het implantatieproces ontstaan, kunnen leiden tot de vorming van permanente clusters, waardoor deactivering ontstaat.

3. Voor activering zijn hoge temperaturen (>1300°C) vereist. Dit overschrijdt de ontledingstemperatuur van GaN, waardoor speciale methoden nodig zijn. Een succesvol voorbeeld is het gebruik van ultrahogedrukgloeien (UHPA) met een N2-druk van 1 GPa. Door gloeien bij 1300-1480°C wordt meer dan 70% activering bereikt en wordt een goede mobiliteit van de oppervlaktedragers vertoond.

4. Bij deze hoge temperaturen interageert magnesiumdiffusie met puntdefecten in de beschadigde gebieden, wat kan resulteren in geleidelijke verbindingen. Controle van de Mg-distributie in p-GaN e-mode HEMT's is een belangrijke uitdaging, zelfs bij gebruik van MOCVD- of MBE-groeiprocessen.

Figuur 1: Verhoogde doorslagspanning van de pn-overgang door Mg/N-co-implantatie

Er is aangetoond dat de co-implantatie van stikstof (N) met Mg de activering van Mg-doteermiddelen verbetert en diffusie onderdrukt.De verbeterde activering wordt toegeschreven aan de remming van de agglomeratie van vacatures door N-implantatie, wat de recombinatie van deze vacatures bij annealingstemperaturen boven 1200°C vergemakkelijkt. Bovendien beperken de vacatures die worden gegenereerd door N-implantatie de diffusie van Mg, wat resulteert in steilere kruispunten. Dit concept is gebruikt om verticale vlakke GaN MOSFET's te vervaardigen via een volledig ionenimplantatieproces. De specifieke aan-weerstand (RDSon) van het 1200V-apparaat bereikte een indrukwekkende 0,14 Ohm-mm2. Als dit proces kan worden gebruikt voor grootschalige productie, zou het kosteneffectief kunnen zijn en de gebruikelijke processtroom kunnen volgen die wordt gebruikt bij de fabricage van Si- en SiC-vlakke verticale vermogens-MOSFET's. Zoals weergegeven in figuur 1 versnelt het gebruik van co-implantatiemethoden de afbraak van pn-overgangen.

04

Vanwege de bovengenoemde problemen wordt p-GaN-doping doorgaans gekweekt in plaats van geïmplanteerd in p-GaN e-mode transistors met hoge elektronenmobiliteit (HEMT's). Een toepassing van ionenimplantatie in HEMT's is laterale apparaatisolatie. Er zijn verschillende soorten implantaten geprobeerd, zoals waterstof (H), N, ijzer (Fe), argon (Ar) en zuurstof (O). Het mechanisme houdt voornamelijk verband met de vorming van vallen die gepaard gaan met schade. Het voordeel van deze methode vergeleken met mesa-etsisolatieprocessen is de vlakheid van het apparaat. Figuur 2-1 beschrijft de relatie tussen de bereikte weerstand van de isolatielaag en de uitgloeitemperatuur na implantatie. Zoals weergegeven in de afbeelding kunnen weerstanden van meer dan 107 Ohm/sq worden bereikt.

Figuur 2: Relatie tussen de weerstand van de isolatielaag en de gloeitemperatuur na verschillende GaN-isolatie-implantaties

Hoewel er verschillende onderzoeken zijn uitgevoerd naar het creëren van n+ ohmse contacten in GaN-lagen met behulp van silicium (Si)-implantatie, kan de praktische implementatie een uitdaging zijn vanwege de hoge onzuiverheidsconcentraties en de daaruit voortvloeiende roosterschade.Een motivatie voor het gebruik van Si-implantatie is het bereiken van contacten met lage weerstand via Si CMOS-compatibele processen of daaropvolgende post-metaallegeringsprocessen zonder het gebruik van goud (Au).

05

In HEMT's is implantatie met een lage dosis fluor (F) gebruikt om de doorslagspanning (BV) van apparaten te verhogen door gebruik te maken van de sterke elektronegativiteit van F. De vorming van een negatief geladen gebied aan de achterkant van het 2-DEG-elektronengas onderdrukt de injectie van elektronen in gebieden met een hoog veld.

Figuur 3: (a) Voorwaartse kenmerken en (b) omgekeerde IV van verticale GaN SBD die verbetering tonen na F-implantatie

Een andere interessante toepassing van ionenimplantatie in GaN is het gebruik van F-implantatie in verticale Schottky Barrier Diodes (SBD's). Hier wordt F-implantatie uitgevoerd op het oppervlak naast het bovenste anodecontact om een ​​randafsluitingsgebied met hoge weerstand te creëren. Zoals weergegeven in figuur 3 wordt de tegenstroom met vijf ordes van grootte verminderd, terwijl de BV wordt vergroot.**