Những thách thức của công nghệ cấy ion trong thiết bị nguồn SiC và GaN

Các chất bán dẫn có dải thông rộng (WBG) nhưCacbua silic(SiC) vàGallium Nitrat(GaN) được kỳ vọng sẽ đóng vai trò ngày càng quan trọng trong các thiết bị điện tử công suất. Chúng mang lại một số lợi thế so với các thiết bị Silicon (Si) truyền thống, bao gồm hiệu suất, mật độ năng lượng và tần số chuyển mạch cao hơn.Cấy ionlà phương pháp chính để đạt được doping chọn lọc trong các thiết bị Si. Tuy nhiên, có một số thách thức khi áp dụng nó cho các thiết bị có băng thông rộng. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ tập trung vào một số thách thức này và tóm tắt các ứng dụng tiềm năng của chúng trong các thiết bị nguồn GaN.

01

Một số yếu tố quyết định việc sử dụng thực tế củavật liệu tạp chấttrong sản xuất thiết bị bán dẫn:

Năng lượng ion hóa thấp ở các vị trí mạng bị chiếm dụng. Si có các phần tử cho nông có khả năng ion hóa (đối với pha tạp loại n) và phần tử chấp nhận (đối với pha tạp loại p). Mức năng lượng sâu hơn trong vùng cấm dẫn đến quá trình ion hóa kém, đặc biệt là ở nhiệt độ phòng, dẫn đến độ dẫn điện thấp hơn đối với một liều lượng nhất định. Vật liệu nguồn có thể ion hóa và tiêm được trong máy cấy ion thương mại. Có thể sử dụng các hợp chất vật liệu nguồn rắn và khí và việc sử dụng thực tế của chúng phụ thuộc vào độ ổn định nhiệt độ, độ an toàn, hiệu suất tạo ion, khả năng tạo ra các ion đặc biệt để tách khối và đạt được độ sâu cấy năng lượng mong muốn.

Nguồn vật liệu có thể ion hóa và tiêm được trong máy cấy ion thương mại. Có thể sử dụng các hợp chất vật liệu nguồn rắn và khí và việc sử dụng thực tế của chúng phụ thuộc vào độ ổn định nhiệt độ, độ an toàn, hiệu suất tạo ion, khả năng tạo ra các ion đặc biệt để tách khối và đạt được độ sâu cấy năng lượng mong muốn.

Bảng 1: Các loại tạp chất phổ biến được sử dụng trong các thiết bị nguồn SiC và GaN

Tốc độ khuếch tán trong vật liệu cấy ghép. Tốc độ khuếch tán cao trong điều kiện ủ sau cấy ghép bình thường có thể dẫn đến các mối nối không được kiểm soát và khuếch tán tạp chất vào các khu vực không mong muốn của thiết bị, dẫn đến hiệu suất của thiết bị bị suy giảm.

Kích hoạt và phục hồi thiệt hại. Kích hoạt Dopant liên quan đến việc tạo ra các chỗ trống ở nhiệt độ cao, cho phép các ion được cấy ghép di chuyển từ các vị trí xen kẽ sang các vị trí mạng thay thế. Phục hồi hư hỏng là rất quan trọng để sửa chữa các khuyết tật vô định hình và tinh thể được tạo ra trong quá trình cấy ghép.

Bảng 1 liệt kê một số loại tạp chất thường được sử dụng và năng lượng ion hóa của chúng trong sản xuất thiết bị SiC và GaN.

Trong khi pha tạp loại n trong cả SiC và GaN tương đối đơn giản với các chất pha tạp nông, thách thức chính trong việc tạo ra pha tạp loại p thông qua cấy ion là năng lượng ion hóa cao của các nguyên tố sẵn có.

02

Một số cấy ghép quan trọng vàđặc tính ủcủa GaN bao gồm:

Không giống như SiC, việc sử dụng cấy nóng không có lợi thế đáng kể so với nhiệt độ phòng.

Đối với GaN, Si dopant loại n thường được sử dụng có thể là lưỡng cực, thể hiện hành vi loại n và/hoặc loại p tùy thuộc vào vị trí chiếm đóng của nó. Điều này có thể phụ thuộc vào điều kiện tăng trưởng GaN và dẫn đến hiệu ứng bù một phần.

Việc pha tạp P của GaN khó khăn hơn do nồng độ electron nền cao trong GaN không pha tạp, đòi hỏi hàm lượng tạp chất loại p Magiê (Mg) cao để chuyển vật liệu thành loại p. Tuy nhiên, liều lượng cao dẫn đến mức độ khuyết tật cao, dẫn đến việc bắt giữ và bù chất mang ở mức năng lượng sâu hơn, dẫn đến khả năng kích hoạt dopant kém.

GaN phân hủy ở nhiệt độ cao hơn 840°C dưới áp suất khí quyển, dẫn đến thất thoát N và hình thành các giọt Ga trên bề mặt. Nhiều hình thức ủ nhiệt nhanh (RTA) và các lớp bảo vệ như SiO2 đã được sử dụng. Nhiệt độ ủ thường thấp hơn (<1500°C) so với nhiệt độ sử dụng cho SiC. Một số phương pháp như RTA áp suất cao, đa chu kỳ, lò vi sóng và ủ laser đã được thử nghiệm. Tuy nhiên, việc đạt được các tiếp xúc cấy ghép p+ vẫn là một thách thức.

03

Trong các thiết bị nguồn Si và SiC dọc, cách tiếp cận phổ biến để chấm dứt cạnh là tạo vòng pha tạp loại p thông qua cấy ion.Nếu có thể đạt được sự pha tạp chọn lọc, nó cũng sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc hình thành các thiết bị GaN dọc. Việc cấy ion tạp chất magiê (Mg) phải đối mặt với một số thách thức và một số thách thức được liệt kê dưới đây.

1. Khả năng ion hóa cao (như trong Bảng 1).

2. Các khiếm khuyết phát sinh trong quá trình cấy ghép có thể dẫn đến hình thành các cụm vĩnh viễn, gây ngừng hoạt động.

3. Cần có nhiệt độ cao (>1300°C) để kích hoạt. Điều này vượt quá nhiệt độ phân hủy của GaN, đòi hỏi phải có các phương pháp đặc biệt. Một ví dụ thành công là việc sử dụng ủ áp suất cực cao (UHPA) với áp suất N2 ở mức 1 GPa. Ủ ở nhiệt độ 1300-1480°C đạt được hiệu suất kích hoạt trên 70% và thể hiện tính di động của chất mang bề mặt tốt.

4. Ở những nhiệt độ cao này, sự khuếch tán magie tương tác với các khuyết điểm ở vùng bị hư hỏng, có thể dẫn đến các mối nối được phân loại. Kiểm soát phân phối Mg trong HEMT chế độ điện tử p-GaN là một thách thức chính, ngay cả khi sử dụng các quy trình tăng trưởng MOCVD hoặc MBE.

Hình 1: Tăng điện áp đánh thủng tiếp giáp pn thông qua việc đồng cấy Mg/N

Việc cấy ghép nitơ (N) với Mg đã được chứng minh là cải thiện khả năng kích hoạt các chất dẫn xuất Mg và ngăn chặn sự khuếch tán.Sự kích hoạt được cải thiện là do sự ức chế sự kết tụ chỗ trống bằng cách cấy N, tạo điều kiện thuận lợi cho sự tái hợp của các chỗ trống này ở nhiệt độ ủ trên 1200°C. Ngoài ra, các chỗ trống do cấy N tạo ra sẽ hạn chế sự khuếch tán của Mg, dẫn đến các mối nối dốc hơn. Khái niệm này đã được sử dụng để sản xuất MOSFET GaN phẳng thẳng đứng thông qua quy trình cấy ion đầy đủ. Điện trở cụ thể (RDSon) của thiết bị 1200V đạt mức ấn tượng 0,14 Ohms-mm2. Nếu quy trình này có thể được sử dụng để sản xuất quy mô lớn, thì nó có thể tiết kiệm chi phí và tuân theo quy trình quy trình phổ biến được sử dụng trong chế tạo MOSFET công suất phẳng dọc Si và SiC. Như được hiển thị trong Hình 1, việc sử dụng các phương pháp đồng cấy ghép sẽ đẩy nhanh quá trình phá vỡ mối nối pn.

04

Do các vấn đề nêu trên, doping p-GaN thường được phát triển thay vì cấy vào các bóng bán dẫn điện tử di động cao chế độ điện tử p-GaN (HEMT). Một ứng dụng của việc cấy ion trong HEMT là cách ly thiết bị bên. Nhiều loại vật liệu cấy ghép khác nhau, chẳng hạn như hydro (H), N, sắt (Fe), argon (Ar) và oxy (O), đã được thử nghiệm. Cơ chế chủ yếu liên quan đến việc hình thành bẫy gắn với hư hỏng. Ưu điểm của phương pháp này so với quá trình cách ly mesa etch là độ phẳng của thiết bị. Hình 2-1 mô tả mối quan hệ giữa điện trở lớp cách ly đạt được và nhiệt độ ủ sau khi cấy ghép. Như thể hiện trong hình, có thể đạt được điện trở trên 107 Ohms/sq.

Hình 2: Mối quan hệ giữa điện trở của lớp cách ly và nhiệt độ ủ sau các lần cấy cách ly GaN khác nhau

Mặc dù một số nghiên cứu đã được tiến hành để tạo ra các tiếp điểm n+Ohmic trong các lớp GaN bằng cách sử dụng silicon (Si), việc triển khai thực tế có thể gặp nhiều thách thức do nồng độ tạp chất cao và dẫn đến hư hỏng mạng tinh thể.Một động lực cho việc sử dụng cấy ghép Si là đạt được các tiếp điểm có điện trở thấp thông qua các quy trình tương thích với Si CMOS hoặc các quy trình hợp kim hậu kim loại tiếp theo mà không sử dụng vàng (Au).

05

Trong HEMT, việc cấy flo (F) liều thấp đã được sử dụng để tăng điện áp đánh thủng (BV) của thiết bị bằng cách tận dụng độ âm điện mạnh của F. Sự hình thành vùng tích điện âm ở mặt sau của khí điện tử 2-DEG sẽ ngăn chặn sự phun điện tử vào vùng trường cao.

Hình 3: (a) Đặc điểm chuyển tiếp và (b) IV đảo ngược của GaN SBD dọc cho thấy sự cải thiện sau khi cấy F

Một ứng dụng thú vị khác của việc cấy ion vào GaN là việc sử dụng cấy F trong Điốt hàng rào Schottky (SBD) dọc. Ở đây, việc cấy F được thực hiện trên bề mặt bên cạnh điểm tiếp xúc cực dương trên cùng để tạo ra vùng kết thúc cạnh có điện trở cao. Như thể hiện trong Hình 3, dòng điện ngược giảm đi 5 bậc độ lớn, trong khi BV tăng.**