SiC eta GaN Power gailuetan Ioien Inplantazio Teknologiaren erronkak

Wide Bandgap (WBG) erdieroaleak esaterakoSilizio karburoa(SiC) etaGalio nitruroa(GaN) gero eta paper garrantzitsuagoa izatea espero da potentziako gailu elektronikoetan. Siliziozko (Si) gailu tradizionalen aurrean hainbat abantaila eskaintzen dituzte, besteak beste, eraginkortasun handiagoa, potentzia-dentsitatea eta kommutazio-maiztasuna.Ioien inplantazioaSi gailuetan dopin selektiboa lortzeko lehen metodoa da. Hala ere, erronka batzuk daude banda zabaleko gailuetan aplikatzean. Artikulu honetan, erronka horietako batzuetan zentratuko gara eta GaN power gailuetan dituzten aplikazio potentzialak laburbilduko ditugu.

01

Hainbat faktorek zehazten dute erabilera praktikoamaterial dopatzaileakGailu erdieroaleen fabrikazioan:

Ionizazio-energia baxua sare-gune okupatuetan. Si-k azaleko emaile ionizagarriak (n motako dopinerako) eta onartzaileak (p motako dopinerako) elementuak ditu. Bandgap-aren energia-maila sakonagoek ionizazio eskasa eragiten dute, batez ere giro-tenperaturan, eta eroankortasun txikiagoa dakar dosi jakin baterako.Iturburu-materialak ionizagarriak eta injektagarriak ioi-inplantatzaile komertzialetan. Material solido eta gas-iturburuko konposatuak erabil daitezke, eta horien erabilera praktikoa tenperatura-egonkortasunaren, segurtasunaren, ioien sorkuntzaren eraginkortasunaren, masa bereizteko ioi bereziak sortzeko eta nahi den energia inplantatzeko sakoneraren araberakoa da.

Ioi-inplantatzaile komertzialetan ionizagarriak eta injektagarriak diren iturri-materialak. Material solidoen eta gas-iturburuko konposatuak erabil daitezke, eta horien erabilera praktikoa tenperatura-egonkortasunaren, segurtasunaren, ioien sorreraren eraginkortasunaren, masa bereizteko ioi bereziak sortzeko eta nahi den energia inplantatzeko sakoneraren araberakoa da.

1. taula: SiC eta GaN potentzia-gailuetan erabiltzen diren dopatzaile-espezie arruntak

Inplantatutako materialaren hedapen-abiadurak. Inplantearen ondorengo errezistatzeko baldintza normaletan difusio-tasa handiek kontrolatu gabeko lotuneak eta dopantearen hedapena ekar ditzakete gailuaren eremu desiragarrietara, eta, ondorioz, gailuaren errendimendua hondatzen da.

Aktibazioa eta kalteak berreskuratzea. Dopantearen aktibazioa tenperatura altuetan hutsuneak sortzea dakar, inplantatutako ioiak posizio interstizialetik ordezkapen sareko posizioetara mugi daitezen. Kalteak berreskuratzea funtsezkoa da inplantazio-prozesuan sortutako amorfizazioa eta kristalen akatsak konpontzeko.

1. taulan normalean erabiltzen diren dopante-espezie batzuk eta haien ionizazio-energiak ageri dira SiC eta GaN gailuen fabrikazioan.

SiC zein GaN-n n motako dopinga sakonera gutxiko dopatzaileekin nahiko erraza den arren, ioien ezarpenaren bidez p motako dopina sortzeko funtsezko erronka bat eskuragarri dauden elementuen ionizazio-energia handia da.

02

Zenbait gako inplantazio etarecozitzeko ezaugarriakGaN-en honako hauek dira:

SiC ez bezala, ez dago abantaila handirik inplantazio beroa erabiltzeak giro-tenperaturarekin alderatuta.

GaN-rako, normalean erabiltzen den n motako Si dopantea anbipolarra izan daiteke, n motako eta/edo p motako portaera erakutsiz bere okupazio gunearen arabera. Hau GaN hazkunde-baldintzen araberakoa izan daiteke eta konpentsazio-efektu partzialak ekar ditzake.

GaN-ren P-dopina zailagoa da dopatu gabeko GaN-en atzealdeko elektroi-kontzentrazio altua dela eta, Magnesio (Mg) p motako dopante-maila altuak behar dira materiala p mota bihurtzeko. Hala ere, dosi handiek akats-maila handiak eragiten dituzte, energia-maila sakonagoetan eramailearen harrapaketa eta konpentsazioa eraginez, dopantearen aktibazio eskasa eraginez.

GaN 840 °C-tik gorako tenperaturan deskonposatzen da presio atmosferikoan, eta ondorioz, N galera eta gainazalean Ga tantak sortzen dira. Erabili termiko azkarreko (RTA) eta babes-geruzak, hala nola SiO2, hainbat forma erabili dira. Erretiro-tenperaturak baxuagoak dira (<1500 °C) SiC-rako erabiltzen direnekin alderatuta. Hainbat metodo saiatu dira, hala nola presio altuko, ziklo anitzeko RTA, mikrouhin-labea eta laser-errekuntza. Hala ere, p+ inplantazio-kontaktuak lortzea erronka izaten jarraitzen du.

03

Si eta SiC potentzia-gailu bertikaleetan, ertzaren amaierarako ohiko ikuspegi bat p motako doping-eraztun bat sortzea da ioien ezarpenaren bidez.Dopin selektiboa lortuko balitz, GaN gailu bertikalak sortzea ere erraztuko litzateke. Magnesio (Mg) ioi dopatzaileak ezartzeak hainbat erronka ditu, eta horietako batzuk behean zerrendatzen dira.

1. Ionizazio potentzial handia (1. taulan ageri den bezala).

2. Inplantazio-prozesuan sortutako akatsek kluster iraunkorrak sortzea ekar dezakete, desaktibazioa eraginez.

3. Tenperatura altuak (>1300°C) behar dira aktibatzeko. Horrek GaN-ren deskonposizio-tenperatura gainditzen du, eta metodo bereziak behar ditu. Adibide arrakastatsu bat presio ultra altuko errekuzimendua (UHPA) erabiltzea da 1 GPa-ko N2 presioarekin. 1300-1480 °C-tan errekuzitzeak % 70etik gorako aktibazioa lortzen du eta gainazaleko garraiolarien mugikortasun ona erakusten du.

4. Tenperatura altu hauetan, magnesioaren difusioak kaltetutako eskualdeetako akats puntualekin elkarreragin egiten du, eta horrek elkargune mailakatuak sor ditzake. P-GaN e-modu HEMTetan Mg banaketaren kontrola funtsezko erronka da, baita MOCVD edo MBE hazkuntza prozesuak erabiltzen direnean ere.

1. Irudia: Mg/N ko-inplantazioaren bidez pn junkzioen matxura-tentsioa handitu da

Nitrogenoa (N) Mgarekin batera txertatzeak Mg dopatzaileen aktibazioa hobetzen duela eta difusioa kentzen duela frogatu da.Aktibazio hobetua N inplantazioaren bidez hutsuneen aglomerazioaren inhibizioari egozten zaio, eta horrek hutsune horien birkonbinazioa errazten du 1200 °C-tik gorako errezistatzeko tenperaturan. Gainera, N ezartzeak sortzen dituen hutsuneek Mg-aren hedapena mugatzen dute, eta bidegurutze maldatsuagoak sortzen dira. Kontzeptu hau GaN MOSFET plano bertikalak fabrikatzeko erabili da ioi osoko inplantazio prozesu baten bidez. 1200V gailuaren on-erresistentzia espezifikoa (RDSon) 0,14 Ohms-mm2 ikusgarria lortu zuen. Prozesu hau eskala handiko fabrikaziorako erabil badaiteke, errentagarria izan liteke eta Si eta SiC potentzia bertikaleko MOSFET fabrikazioan erabiltzen den prozesu-fluxu arruntari jarraitzea. 1. Irudian ikusten den bezala, ko-inplantazio metodoak erabiltzeak pn junkzioen matxura bizkortzen du.

04

Aipatutako arazoak direla eta, p-GaN dopina normalean hazten da p-GaN e-moduko elektroi mugikortasun handiko transistoreetan (HEMT) ezarri beharrean. HEMTetan ioien inplantazioaren aplikazio bat alboko gailuen isolamendua da. Hainbat inplante-espezie saiatu dira, hala nola hidrogenoa (H), N, burdina (Fe), argona (Ar) eta oxigenoa (O). Mekanismoa kalteekin lotutako tranpa sorrerarekin lotuta dago batez ere. Metodo honen abantaila mesa etch isolamendu prozesuekin alderatuta gailuaren lautasuna da. 2-1 irudiak lortutako isolamendu-geruzaren erresistentziaren eta inplantazioaren ondoren errekostatzeko tenperaturaren arteko erlazioa deskribatzen du. Irudian ikusten den bezala, 107 Ohm/sq baino gehiagoko erresistentziak lor daitezke.

2. Irudia: Isolamendu-geruzaren erresistentziaren eta errezistatzeko tenperaturaren arteko erlazioa GaN isolamendu ezberdinen inplantazioen ondoren

GaN geruzetan n+ kontaktu ohmikoak sortzeko hainbat ikerketa egin badira ere silizioa (Si) inplantazioa erabiliz, inplementazio praktikoa zaila izan daiteke ezpurutasun-kontzentrazio altuak direla eta, eta ondorioz sarearen kalteak direla eta.Si inplantatzea erabiltzeko motibazio bat erresistentzia baxuko kontaktuak lortzea da Si CMOS prozesu bateragarrien bidez edo ondorengo aleazio-osteko prozesuen bidez, urrerik (Au) erabili gabe.

05

HEMTetan, dosi baxuko fluor (F) inplantazioa erabili da gailuen matxura-tentsioa (BV) handitzeko, F-ren elektronegatibitate handia aprobetxatuz. 2 DEG elektroi-gasaren atzealdean karga negatiboko eskualde bat sortzeak eremu altuko eskualdeetan elektroien injekzioa kentzen du.

3. Irudia: (a) Aurrerako ezaugarriak eta (b) GaN SBD bertikalaren alderantzizko IV hobekuntza erakusten du F ezartzearen ondoren

GaN-en ioi-inplantearen beste aplikazio interesgarri bat Schottky Barrier Diodo (SBD) bertikaleetan F inplantazioa erabiltzea da. Hemen, F inplantazioa goiko anodoaren kontaktuaren ondoko gainazalean egiten da erresistentzia handiko ertz amaierako eskualdea sortzeko. 3. Irudian ikusten den bezala, alderantzizko korrontea bost magnitude ordena murrizten da, BV handitzen den bitartean.**