Desafios da tecnologia de implantação iônica em dispositivos de energia SiC e GaN

Semicondutores de banda larga (WBG), comoCarboneto de Silício(SiC) eNitreto de gálioEspera-se que (GaN) desempenhem um papel cada vez mais importante em dispositivos eletrônicos de potência. Eles oferecem diversas vantagens em relação aos dispositivos tradicionais de silício (Si), incluindo maior eficiência, densidade de potência e frequência de comutação.Implantação iónicaé o principal método para obter dopagem seletiva em dispositivos de Si. No entanto, existem alguns desafios ao aplicá-lo a dispositivos com banda larga. Neste artigo, focaremos em alguns desses desafios e resumiremos suas aplicações potenciais em dispositivos de energia GaN.

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Vários fatores determinam o uso prático demateriais dopantesna fabricação de dispositivos semicondutores:

Baixa energia de ionização nos locais ocupados da rede. Si possui elementos doadores rasos ionizáveis ​​(para dopagem do tipo n) e aceitadores (para dopagem do tipo p). Os níveis de energia mais profundos dentro do bandgap resultam em ionização deficiente, especialmente à temperatura ambiente, levando a uma condutividade mais baixa para uma determinada dose. Materiais de origem ionizáveis ​​e injetáveis ​​em implantadores iônicos comerciais. Compostos de materiais de origem sólida e gasosa podem ser usados, e seu uso prático depende da estabilidade de temperatura, segurança, eficiência de geração de íons, capacidade de produzir íons únicos para separação de massa e atingir a profundidade de implantação de energia desejada.

Materiais de origem ionizáveis ​​e injetáveis ​​em implantadores iônicos comerciais. Compostos de materiais de origem sólida e gasosa podem ser usados, e seu uso prático depende da estabilidade de temperatura, segurança, eficiência de geração de íons, capacidade de produzir íons únicos para separação de massa e atingir a profundidade de implantação de energia desejada.

Tabela 1: Espécies de dopantes comuns usadas em dispositivos de energia SiC e GaN

Taxas de difusão dentro do material implantado. Altas taxas de difusão sob condições normais de recozimento pós-implante podem levar a junções descontroladas e à difusão de dopantes em áreas indesejadas do dispositivo, resultando na degradação do desempenho do dispositivo.

Ativação e recuperação de danos. A ativação do dopante envolve a geração de vagas em altas temperaturas, permitindo que os íons implantados se movam de posições intersticiais para posições de rede de substituição. A recuperação de danos é crucial para reparar amorfizações e defeitos cristalinos criados durante o processo de implantação.

A Tabela 1 lista algumas espécies de dopantes comumente usadas e suas energias de ionização na fabricação de dispositivos SiC e GaN.

Embora a dopagem do tipo n em SiC e GaN seja relativamente simples com dopantes superficiais, um desafio importante na criação da dopagem do tipo p através da implantação iônica é a alta energia de ionização dos elementos disponíveis.

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Algumas implantações importantes ecaracterísticas de recozimentode GaN incluem:

Ao contrário do SiC, não há vantagem significativa no uso de implantação a quente em comparação à temperatura ambiente.

Para GaN, o dopante Si do tipo n comumente usado pode ser ambipolar, exibindo comportamento do tipo n e/ou tipo p dependendo do seu local de ocupação. Isto pode depender das condições de crescimento do GaN e levar a efeitos de compensação parciais.

A dopagem P de GaN é mais desafiadora devido à alta concentração de elétrons de fundo em GaN não dopado, exigindo altos níveis de dopante tipo p de magnésio (Mg) para converter o material em tipo p. No entanto, doses elevadas resultam em elevados níveis de defeitos, levando à captura e compensação de transportadores em níveis de energia mais profundos, resultando numa fraca activação do dopante.

O GaN se decompõe em temperaturas superiores a 840°C sob pressão atmosférica, levando à perda de N e à formação de gotículas de Ga na superfície. Várias formas de recozimento térmico rápido (RTA) e camadas protetoras como SiO2 têm sido empregadas. As temperaturas de recozimento são normalmente mais baixas (<1500°C) em comparação com aquelas usadas para SiC. Vários métodos, como RTA de alta pressão, multiciclo, microondas e recozimento a laser, foram tentados. No entanto, conseguir contactos de implantação p+ continua a ser um desafio.

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Em dispositivos verticais de potência de Si e SiC, uma abordagem comum para terminação de borda é criar um anel de dopagem tipo p através de implantação iônica.Se a dopagem seletiva puder ser alcançada, também facilitaria a formação de dispositivos verticais de GaN. A implantação de íons dopantes de magnésio (Mg) enfrenta vários desafios, e alguns deles estão listados abaixo.

1. Alto potencial de ionização (conforme mostrado na Tabela 1).

2. Defeitos gerados durante o processo de implantação podem levar à formação de aglomerados permanentes, causando desativação.

3. Altas temperaturas (>1300°C) são necessárias para ativação. Isto excede a temperatura de decomposição do GaN, necessitando de métodos especiais. Um exemplo de sucesso é o uso de recozimento de ultra-alta pressão (UHPA) com pressão de N2 a 1 GPa. O recozimento a 1300-1480°C atinge mais de 70% de ativação e exibe boa mobilidade do transportador de superfície.

4. Nessas altas temperaturas, a difusão do magnésio interage com defeitos pontuais nas regiões danificadas, o que pode resultar em junções graduadas. O controle da distribuição de Mg em HEMTs de modo eletrônico p-GaN é um desafio importante, mesmo quando se empregam processos de crescimento MOCVD ou MBE.

Figura 1: Aumento da tensão de ruptura da junção pn através da co-implantação de Mg/N

Foi demonstrado que a co-implantação de nitrogênio (N) com Mg melhora a ativação de dopantes de Mg e suprime a difusão.A ativação melhorada é atribuída à inibição da aglomeração de vagas pela implantação de N, o que facilita a recombinação dessas vagas em temperaturas de recozimento acima de 1200°C. Além disso, as vagas geradas pela implantação do N limitam a difusão do Mg, resultando em junções mais íngremes. Este conceito tem sido usado para fabricar MOSFETs GaN planares verticais por meio de um processo de implantação iônica completo. A resistência específica (RDSon) do dispositivo de 1200V atingiu impressionantes 0,14 Ohms-mm2. Se este processo puder ser utilizado para fabricação em larga escala, poderá ser econômico e seguir o fluxo de processo comum usado na fabricação de MOSFET de potência vertical planar de Si e SiC. Conforme mostrado na Figura 1, o uso de métodos de co-implantação acelera a quebra da junção pn.

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Devido aos problemas acima mencionados, o doping p-GaN é normalmente cultivado em vez de implantado em transistores de alta mobilidade eletrônica (HEMTs) de modo eletrônico p-GaN. Uma aplicação da implantação iônica em HEMTs é o isolamento lateral do dispositivo. Várias espécies de implantes, como hidrogênio (H), N, ferro (Fe), argônio (Ar) e oxigênio (O), foram tentadas. O mecanismo está relacionado principalmente à formação de armadilhas associadas a danos. A vantagem deste método em comparação com os processos de isolamento mesa etch é o nivelamento do dispositivo. A Figura 2-1 descreve a relação entre a resistência alcançada da camada de isolamento e a temperatura de recozimento após a implantação. Conforme mostrado na figura, podem ser alcançadas resistências superiores a 107 Ohms/sq.

Figura 2: Relação entre a resistência da camada de isolamento e a temperatura de recozimento após várias implantações de isolamento de GaN

Embora vários estudos tenham sido conduzidos sobre a criação de contatos n+ Ohmicos em camadas de GaN usando implantação de silício (Si), a implementação prática pode ser desafiadora devido às altas concentrações de impurezas e aos danos resultantes na rede.Uma motivação para o uso da implantação de Si é obter contatos de baixa resistência através de processos compatíveis com Si CMOS ou subsequentes processos de liga pós-metal sem o uso de ouro (Au).

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Nos HEMTs, a implantação de baixas doses de flúor (F) tem sido usada para aumentar a tensão de ruptura (BV) dos dispositivos, aproveitando a forte eletronegatividade do F. A formação de uma região carregada negativamente na parte traseira do gás de elétrons de 2 graus suprime a injeção de elétrons em regiões de alto campo.

Figura 3: (a) Características diretas e (b) IV reverso do GaN SBD vertical mostrando melhora após implantação de F

Outra aplicação interessante de implantação iônica em GaN é o uso de implantação de F em diodos de barreira Schottky verticais (SBDs). Aqui, a implantação de F é realizada na superfície próxima ao contato anódico superior para criar uma região de terminação de borda de alta resistência. Conforme mostrado na Figura 3, a corrente reversa é reduzida em cinco ordens de grandeza, enquanto o BV é aumentado.**