SiC आणि GaN पॉवर उपकरणांमध्ये आयन इम्प्लांटेशन तंत्रज्ञानाची आव्हाने

वाइड बँडगॅप (WBG) सेमीकंडक्टर जसे कीसिलिकॉन कार्बाईड(SiC) आणिगॅलियम नायट्राइड(GaN) पॉवर इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांमध्ये वाढत्या प्रमाणात महत्त्वाची भूमिका बजावेल अशी अपेक्षा आहे. ते पारंपारिक सिलिकॉन (Si) उपकरणांवर अनेक फायदे देतात, ज्यात उच्च कार्यक्षमता, उर्जा घनता आणि स्विचिंग वारंवारता समाविष्ट आहे.आयन रोपणSi उपकरणांमध्ये निवडक डोपिंग साध्य करण्यासाठी ही प्राथमिक पद्धत आहे. तथापि, रुंद बँडगॅप उपकरणांवर ते लागू करताना काही आव्हाने आहेत. या लेखात, आम्ही यापैकी काही आव्हानांवर लक्ष केंद्रित करू आणि GaN पॉवर उपकरणांमध्ये त्यांच्या संभाव्य अनुप्रयोगांचा सारांश देऊ.

01

अनेक घटकांचा व्यावहारिक वापर निर्धारित करतातडोपंट साहित्यसेमीकंडक्टर उपकरण निर्मितीमध्ये:

व्यापलेल्या जाळीच्या ठिकाणी कमी आयनीकरण ऊर्जा. Si मध्ये ionizable उथळ दाता (n-प्रकार डोपिंगसाठी) आणि स्वीकारकर्ते (p-प्रकार डोपिंगसाठी) घटक आहेत. बँडगॅपमधील सखोल ऊर्जा पातळीमुळे खराब आयनीकरण होते, विशेषत: खोलीच्या तपमानावर, ज्यामुळे दिलेल्या डोससाठी कमी चालकता येते. व्यावसायिक आयन इम्प्लांटर्समध्ये आयनीकरण करण्यायोग्य आणि इंजेक्शन करण्यायोग्य स्त्रोत सामग्री. घन आणि वायू स्त्रोत सामग्री संयुगे वापरली जाऊ शकतात आणि त्यांचा व्यावहारिक वापर तापमान स्थिरता, सुरक्षितता, आयन निर्मिती कार्यक्षमता, वस्तुमान वेगळे करण्यासाठी अद्वितीय आयन तयार करण्याची क्षमता आणि इच्छित ऊर्जा रोपण खोली प्राप्त करणे यावर अवलंबून असते.

व्यावसायिक आयन इम्प्लांटर्समध्ये आयनीकरण करण्यायोग्य आणि इंजेक्शन करण्यायोग्य स्त्रोत सामग्री. घन आणि वायू स्त्रोत सामग्री संयुगे वापरली जाऊ शकतात आणि त्यांचा व्यावहारिक वापर तापमान स्थिरता, सुरक्षितता, आयन निर्मिती कार्यक्षमता, वस्तुमान वेगळे करण्यासाठी अद्वितीय आयन तयार करण्याची क्षमता आणि इच्छित ऊर्जा रोपण खोली प्राप्त करणे यावर अवलंबून असते.

तक्ता 1: SiC आणि GaN पॉवर उपकरणांमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या सामान्य डोपंट प्रजाती

प्रत्यारोपित सामग्रीमध्ये प्रसार दर. सामान्य इम्प्लांट ॲनिलिंग परिस्थितीमध्ये उच्च प्रसार दरांमुळे अनियंत्रित जंक्शन्स आणि डोपंट डिफ्यूजन यंत्राच्या अवांछित भागात होऊ शकते, परिणामी डिव्हाइसची कार्यक्षमता खराब होते.

सक्रियकरण आणि नुकसान पुनर्प्राप्ती. डोपँट सक्रियकरणामध्ये उच्च तापमानात रिक्त जागा निर्माण करणे समाविष्ट आहे, ज्यामुळे प्रत्यारोपित आयन इंटरस्टिशियल पोझिशन्समधून बदली जाळीच्या पोझिशन्सवर जाऊ शकतात. इम्प्लांटेशन प्रक्रियेदरम्यान निर्माण झालेल्या अमोर्फायझेशन आणि क्रिस्टल दोषांच्या दुरुस्तीसाठी नुकसान पुनर्प्राप्ती महत्त्वपूर्ण आहे.

तक्ता 1 मध्ये काही सामान्यतः वापरल्या जाणाऱ्या डोपंट प्रजाती आणि SiC आणि GaN उपकरण निर्मितीमध्ये त्यांची आयनीकरण ऊर्जा सूचीबद्ध केली आहे.

उथळ डोपेंट्ससह SiC आणि GaN दोन्हीमध्ये n-प्रकार डोपिंग तुलनेने सरळ आहे, आयन इम्प्लांटेशनद्वारे p-प्रकार डोपिंग तयार करण्यात एक महत्त्वाचे आव्हान उपलब्ध घटकांची उच्च आयनीकरण ऊर्जा आहे.

02

काही की इम्प्लांटेशन आणिएनीलिंग वैशिष्ट्येGaN मध्ये हे समाविष्ट आहे:

SiC च्या विपरीत, खोलीच्या तपमानाच्या तुलनेत हॉट इम्प्लांटेशन वापरण्यात कोणताही महत्त्वपूर्ण फायदा नाही.

GaN साठी, सामान्यतः वापरला जाणारा n-प्रकार डोपंट Si त्याच्या व्यवसायाच्या साइटवर अवलंबून n-प्रकार आणि/किंवा p-प्रकारचे वर्तन प्रदर्शित करणारा, ambipolar असू शकतो. हे GaN वाढीच्या परिस्थितीवर अवलंबून असू शकते आणि आंशिक नुकसानभरपाईचे परिणाम होऊ शकते.

न केलेल्या GaN मध्ये उच्च पार्श्वभूमी इलेक्ट्रॉन एकाग्रतेमुळे GaN चे पी-डोपिंग अधिक आव्हानात्मक आहे., सामग्रीचे p-प्रकारात रूपांतर करण्यासाठी मॅग्नेशियम (Mg) p-type dopant च्या उच्च पातळीची आवश्यकता असते. तथापि, उच्च डोसमुळे उच्च पातळीचे दोष निर्माण होतात, ज्यामुळे वाहक कॅप्चर होतात आणि सखोल ऊर्जा स्तरांवर नुकसान भरपाई मिळते, परिणामी डोपंट सक्रियता खराब होते.

वातावरणाच्या दाबाखाली 840°C पेक्षा जास्त तापमानात GaN विघटित होते, ज्यामुळे N नष्ट होते आणि पृष्ठभागावर Ga थेंब तयार होतात. रॅपिड थर्मल ॲनिलिंग (आरटीए) चे विविध प्रकार आणि SiO2 सारखे संरक्षणात्मक स्तर वापरले गेले आहेत. एनीलिंग तापमान सामान्यतः SiC साठी वापरल्या जाणाऱ्या तापमानाच्या तुलनेत कमी (<1500°C) असते. उच्च-दाब, मल्टी-सायकल आरटीए, मायक्रोवेव्ह आणि लेझर ॲनिलिंग यासारख्या अनेक पद्धती वापरण्याचा प्रयत्न केला गेला आहे. तरीही, p+ इम्प्लांटेशन संपर्क साधणे हे एक आव्हान आहे.

03

उभ्या Si आणि SiC पॉवर उपकरणांमध्ये, एज टर्मिनेशनसाठी एक सामान्य दृष्टीकोन म्हणजे आयन इम्प्लांटेशनद्वारे पी-टाइप डोपिंग रिंग तयार करणे.जर निवडक डोपिंग साध्य केले जाऊ शकते, तर ते उभ्या GaN उपकरणांची निर्मिती देखील सुलभ करेल. मॅग्नेशियम (Mg) डोपेंट आयन रोपण अनेक आव्हानांना सामोरे जाते आणि त्यापैकी काही खाली सूचीबद्ध आहेत.

1. उच्च आयनीकरण क्षमता (तक्ता 1 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे).

2. इम्प्लांटेशन प्रक्रियेदरम्यान निर्माण झालेल्या दोषांमुळे कायमस्वरूपी क्लस्टर्स तयार होऊ शकतात, ज्यामुळे निष्क्रियता होऊ शकते.

3. सक्रिय करण्यासाठी उच्च तापमान (>1300°C) आवश्यक आहे. हे GaN च्या विघटन तापमानापेक्षा जास्त आहे, विशेष पद्धती आवश्यक आहेत. एक यशस्वी उदाहरण म्हणजे 1 GPa वर N2 दाबासह अल्ट्रा-हाय प्रेशर ॲनिलिंग (UHPA) चा वापर. 1300-1480°C वर एनीलिंग केल्याने 70% पेक्षा जास्त सक्रियता प्राप्त होते आणि पृष्ठभाग वाहक गतिशीलता प्रदर्शित करते.

4. या उच्च तापमानात, मॅग्नेशियम प्रसार खराब झालेल्या क्षेत्रांमध्ये बिंदू दोषांशी संवाद साधतो, ज्यामुळे श्रेणीबद्ध जंक्शन होऊ शकतात. P-GaN ई-मोड HEMTs मध्ये Mg वितरणाचे नियंत्रण हे एक महत्त्वाचे आव्हान आहे, जरी MOCVD किंवा MBE वाढ प्रक्रिया वापरत असताना.

आकृती 1: Mg/N सह-इम्प्लांटेशनद्वारे वाढलेले पीएन जंक्शन ब्रेकडाउन व्होल्टेज

Mg सह नायट्रोजन (N) चे सह-इंप्लांटेशन Mg dopants चे सक्रियकरण सुधारण्यासाठी आणि प्रसार रोखण्यासाठी दर्शविले गेले आहे.सुधारित सक्रियतेचे श्रेय एन इम्प्लांटेशन द्वारे रिक्त जागा एकत्रीकरणाच्या प्रतिबंधास दिले जाते, जे 1200 डिग्री सेल्सिअसपेक्षा जास्त तापमानात या रिक्त स्थानांचे पुनर्संयोजन सुलभ करते. याव्यतिरिक्त, एन इम्प्लांटेशनद्वारे व्युत्पन्न केलेल्या रिक्त जागा Mg च्या प्रसारास मर्यादित करतात, परिणामी स्टीपर जंक्शन्स होतात. ही संकल्पना संपूर्ण आयन रोपण प्रक्रियेद्वारे उभ्या प्लॅनर गॅएन मॉसफेट तयार करण्यासाठी वापरली गेली आहे. 1200V उपकरणाचे विशिष्ट ऑन-रेझिस्टन्स (RDSon) प्रभावी 0.14 Ohms-mm2 पर्यंत पोहोचले. जर ही प्रक्रिया मोठ्या प्रमाणात उत्पादनासाठी वापरली जाऊ शकते, तर ती किफायतशीर असू शकते आणि Si आणि SiC प्लॅनर वर्टिकल पॉवर MOSFET फॅब्रिकेशनमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या सामान्य प्रक्रिया प्रवाहाचे अनुसरण करू शकते. आकृती 1 मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, सह-रोपण पद्धतींचा वापर pn जंक्शन ब्रेकडाउनला गती देतो.

04

उपरोक्त समस्यांमुळे, p-GaN डोपिंग सामान्यतः p-GaN ई-मोड हाय इलेक्ट्रॉन मोबिलिटी ट्रान्झिस्टर (HEMTs) मध्ये रोपण करण्याऐवजी वाढले आहे. HEMTs मध्ये आयन इम्प्लांटेशनचा एक ऍप्लिकेशन म्हणजे लॅटरल उपकरण अलगाव. हायड्रोजन (एच), एन, लोह (फे), आर्गॉन (एआर), आणि ऑक्सिजन (ओ) यांसारख्या विविध रोपण प्रजातींचा प्रयत्न केला गेला आहे. यंत्रणा मुख्यतः नुकसानाशी संबंधित सापळ्याच्या निर्मितीशी संबंधित आहे. मेसा इच आयसोलेशन प्रक्रियेच्या तुलनेत या पद्धतीचा फायदा म्हणजे डिव्हाइस सपाटपणा. आकृती 2-1 प्राप्त केलेले अलगाव थर प्रतिकार आणि रोपणानंतर ॲनिलिंग तापमान यांच्यातील संबंधांचे वर्णन करते. आकृतीमध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, 107 ओहम/चौरस पेक्षा जास्त प्रतिकार साध्य करता येतो.

आकृती 2: पृथक् स्तरावरील प्रतिकार आणि विविध GaN पृथक्करण रोपणानंतर ॲनिलिंग तापमान यांच्यातील संबंध

सिलिकॉन (Si) इम्प्लांटेशनचा वापर करून GaN थरांमध्ये n+ ओहमिक संपर्क तयार करण्यावर अनेक अभ्यास केले गेले असले तरी, उच्च अशुद्धता सांद्रता आणि परिणामी जाळीच्या नुकसानीमुळे व्यावहारिक अंमलबजावणी आव्हानात्मक असू शकते.Si इम्प्लांटेशन वापरण्याची एक प्रेरणा म्हणजे सोन्याचा (Au) वापर न करता Si CMOS सुसंगत प्रक्रिया किंवा त्यानंतरच्या पोस्ट-मेटल मिश्र धातु प्रक्रियांद्वारे कमी-प्रतिरोधक संपर्क साधणे.

05

HEMTs मध्ये, F च्या मजबूत इलेक्ट्रोनेगेटिव्हिटीचा फायदा घेऊन उपकरणांचे ब्रेकडाउन व्होल्टेज (BV) वाढवण्यासाठी लो-डोस फ्लोरिन (F) इम्प्लांटेशन वापरले गेले आहे. 2-DEG इलेक्ट्रॉन वायूच्या मागील बाजूस नकारात्मक चार्ज केलेल्या प्रदेशाची निर्मिती उच्च-क्षेत्रीय प्रदेशांमध्ये इलेक्ट्रॉनचे इंजेक्शन दाबते.

आकृती 3: (अ) फॉरवर्ड वैशिष्ट्ये आणि (ब) अनुलंब GaN SBD चे उलट IV F रोपणानंतर सुधारणा दर्शवित आहे

GaN मधील आयन इम्प्लांटेशनचा आणखी एक मनोरंजक अनुप्रयोग म्हणजे उभ्या स्कॉटकी बॅरियर डायोड्स (SBDs) मध्ये एफ इम्प्लांटेशनचा वापर. येथे, उच्च-प्रतिरोधक किनारी समाप्ती प्रदेश तयार करण्यासाठी वरच्या एनोड संपर्काच्या पुढील पृष्ठभागावर एफ रोपण केले जाते. आकृती 3 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, रिव्हर्स करंट मॅग्निट्यूडच्या पाच ऑर्डरने कमी केला जातो, तर BV वाढवला जातो.**