Desafíos de la tecnología de implantación de iones en dispositivos de energía de SiC y GaN

Semiconductores de banda ancha (WBG) comoCarburo de silicio(SiC) yNitruro de galio(GaN) desempeñarán un papel cada vez más importante en los dispositivos electrónicos de potencia. Ofrecen varias ventajas sobre los dispositivos tradicionales de silicio (Si), incluida una mayor eficiencia, densidad de potencia y frecuencia de conmutación.Implantación de ioneses el método principal para lograr el dopaje selectivo en dispositivos de Si. Sin embargo, existen algunos desafíos al aplicarlo a dispositivos de banda ancha. En este artículo, nos centraremos en algunos de estos desafíos y resumiremos sus posibles aplicaciones en dispositivos de potencia GaN.

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Varios factores determinan el uso práctico demateriales dopantesen la fabricación de dispositivos semiconductores:

Baja energía de ionización en los sitios reticulares ocupados. El Si tiene elementos donantes superficiales ionizables (para dopaje tipo n) y aceptores (para dopaje tipo p). Los niveles de energía más profundos dentro de la banda prohibida dan como resultado una ionización deficiente, especialmente a temperatura ambiente, lo que lleva a una conductividad más baja para una dosis determinada. Materiales de origen ionizables e inyectables en implantadores de iones comerciales. Se pueden utilizar compuestos de materiales fuente sólidos y gaseosos, y su uso práctico depende de la estabilidad de la temperatura, la seguridad, la eficiencia de generación de iones, la capacidad de producir iones únicos para la separación de masas y lograr la profundidad de implantación de energía deseada.

Materiales de origen ionizables e inyectables en implantadores de iones comerciales. Se pueden utilizar compuestos de materiales fuente sólidos y gaseosos, y su uso práctico depende de la estabilidad de la temperatura, la seguridad, la eficiencia de generación de iones, la capacidad de producir iones únicos para la separación de masas y lograr la profundidad de implantación de energía deseada.

Tabla 1: Especies dopantes comunes utilizadas en dispositivos de potencia de SiC y GaN

Tasas de difusión dentro del material implantado. Las altas tasas de difusión en condiciones normales de recocido posimplantario pueden provocar uniones incontroladas y difusión de dopantes en áreas no deseadas del dispositivo, lo que degrada el rendimiento del dispositivo.

Activación y recuperación de daños. La activación dopante implica generar vacantes a altas temperaturas, lo que permite que los iones implantados se muevan desde posiciones intersticiales a posiciones reticulares de sustitución. La recuperación de daños es crucial para reparar la amorfización y los defectos del cristal creados durante el proceso de implantación.

La Tabla 1 enumera algunas especies dopantes comúnmente utilizadas y sus energías de ionización en la fabricación de dispositivos de SiC y GaN.

Si bien el dopaje de tipo n tanto en SiC como en GaN es relativamente sencillo con dopantes poco profundos, un desafío clave en la creación de dopaje de tipo p mediante la implantación de iones es la alta energía de ionización de los elementos disponibles.

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Algunas implantaciones clave ycaracterísticas de recocidode GaN incluyen:

A diferencia del SiC, no existe ninguna ventaja significativa al utilizar la implantación en caliente en comparación con la temperatura ambiente.

Para GaN, el dopante Si de tipo n comúnmente utilizado puede ser ambipolar y exhibir un comportamiento de tipo n y/o tipo p dependiendo de su sitio de ocupación. Esto puede depender de las condiciones de crecimiento de GaN y dar lugar a efectos de compensación parcial.

El dopaje con P de GaN es más desafiante debido a la alta concentración de electrones de fondo en el GaN no dopado., requiriendo altos niveles de dopante tipo p de magnesio (Mg) para convertir el material en tipo p. Sin embargo, las dosis altas dan como resultado altos niveles de defectos, lo que lleva a la captura del portador y la compensación a niveles de energía más profundos, lo que resulta en una activación deficiente del dopante.

El GaN se descompone a temperaturas superiores a 840 °C bajo presión atmosférica, lo que provoca la pérdida de N y la formación de gotas de Ga en la superficie. Se han empleado diversas formas de recocido térmico rápido (RTA) y capas protectoras como SiO2. Las temperaturas de recocido suelen ser más bajas (<1500 °C) en comparación con las utilizadas para SiC. Se han intentado varios métodos, como el recocido por láser, microondas y RTA de ciclos múltiples a alta presión. Sin embargo, lograr contactos de implantación p+ sigue siendo un desafío.

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En dispositivos de potencia verticales de Si y SiC, un enfoque común para la terminación de bordes es crear un anillo dopante tipo p mediante implantación de iones.Si se puede lograr el dopaje selectivo, también se facilitaría la formación de dispositivos verticales de GaN. La implantación de iones dopantes de magnesio (Mg) enfrenta varios desafíos, y algunos de ellos se enumeran a continuación.

1. Alto potencial de ionización (como se muestra en la Tabla 1).

2. Los defectos generados durante el proceso de implantación pueden dar lugar a la formación de cúmulos permanentes, provocando su desactivación.

3. Se requieren altas temperaturas (>1300°C) para la activación. Esta supera la temperatura de descomposición del GaN, por lo que se necesitan métodos especiales. Un ejemplo exitoso es el uso de recocido a presión ultraalta (UHPA) con una presión de N2 de 1 GPa. El recocido a 1300-1480°C logra más del 70% de activación y exhibe una buena movilidad de la superficie del portador.

4. A estas altas temperaturas, la difusión de magnesio interactúa con defectos puntuales en las regiones dañadas, lo que puede dar lugar a uniones graduadas. El control de la distribución de Mg en HEMT en modo electrónico p-GaN es un desafío clave, incluso cuando se emplean procesos de crecimiento MOCVD o MBE.

Figura 1: Aumento del voltaje de ruptura de la unión pn mediante la coimplantación de Mg/N

Se ha demostrado que la coimplantación de nitrógeno (N) con Mg mejora la activación de los dopantes de Mg y suprime la difusión.La activación mejorada se atribuye a la inhibición de la aglomeración de vacantes mediante la implantación de N, lo que facilita la recombinación de estas vacantes a temperaturas de recocido superiores a 1200 °C. Además, las vacantes generadas por la implantación de N limitan la difusión de Mg, lo que resulta en uniones más pronunciadas. Este concepto se ha utilizado para fabricar MOSFET de GaN planos verticales mediante un proceso de implantación de iones completo. La resistencia de encendido específica (RDSon) del dispositivo de 1200 V alcanzó unos impresionantes 0,14 ohmios-mm2. Si este proceso puede utilizarse para la fabricación a gran escala, podría ser rentable y seguir el flujo de proceso común utilizado en la fabricación de MOSFET de potencia vertical planos de Si y SiC. Como se muestra en la Figura 1, el uso de métodos de coimplantación acelera la ruptura de la unión pn.

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Debido a los problemas antes mencionados, el dopaje con p-GaN generalmente se cultiva en lugar de implantarse en transistores de alta movilidad de electrones (HEMT) en modo e de p-GaN. Una aplicación de la implantación de iones en HEMT es el aislamiento lateral del dispositivo. Se han intentado varias especies de implantes, como hidrógeno (H), N, hierro (Fe), argón (Ar) y oxígeno (O). El mecanismo está relacionado principalmente con la formación de trampas asociadas con el daño. La ventaja de este método en comparación con los procesos de aislamiento por grabado en mesa es la planitud del dispositivo. La Figura 2-1 describe la relación entre la resistencia de la capa de aislamiento lograda y la temperatura de recocido después de la implantación. Como se muestra en la figura, se pueden lograr resistencias superiores a 107 ohmios/sq.

Figura 2: Relación entre la resistencia de la capa de aislamiento y la temperatura de recocido después de varias implantaciones de aislamiento de GaN

Aunque se han realizado varios estudios sobre la creación de contactos n+ óhmicos en capas de GaN mediante la implantación de silicio (Si), la implementación práctica puede ser un desafío debido a las altas concentraciones de impurezas y al daño resultante en la red.Una motivación para utilizar la implantación de Si es lograr contactos de baja resistencia a través de procesos compatibles con Si CMOS o procesos posteriores de aleación post-metal sin el uso de oro (Au).

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En los HEMT, la implantación de dosis bajas de flúor (F) se ha utilizado para aumentar el voltaje de ruptura (BV) de los dispositivos aprovechando la fuerte electronegatividad de F. La formación de una región cargada negativamente en la parte posterior del gas de electrones de 2 DEG suprime la inyección de electrones en regiones de alto campo.

Figura 3: (a) Características directas y (b) IV inversa del SBD de GaN vertical que muestra una mejora después de la implantación de F

Otra aplicación interesante de la implantación de iones en GaN es el uso de la implantación de F en diodos de barrera Schottky (SBD) verticales. Aquí, la implantación de F se realiza en la superficie junto al contacto del ánodo superior para crear una región de terminación de borde de alta resistencia. Como se muestra en la Figura 3, la corriente inversa se reduce en cinco órdenes de magnitud, mientras que BV aumenta.**