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4H-SiC hè statu cummercializatu cum'è materiale per i dispositivi à semiconduttori di putenza. Tuttavia, l'affidabilità à longu andà di i dispositivi 4H-SiC hè un ostaculu à a so larga applicazione, è u prublema di affidabilità più impurtante di i dispositivi 4H-SiC hè a degradazione bipolare. Questa degradazione hè causata da una sola propagazione di difetti di impilamentu Shockley (1SSF) di dislocazioni di u pianu basale in cristalli 4H-SiC. Quì, proposemu un metudu per supprime l'espansione 1SSF impiantendu protoni nantu à wafer epitassiali 4H-SiC. I diodi PiN fabbricati nantu à wafer cù impiantazione di protoni anu mostratu e stesse caratteristiche di corrente-tensione cum'è i diodi senza impiantazione di protoni. In cuntrastu, l'espansione 1SSF hè efficacemente soppressa in u diodu PiN impiantatu cù protoni. Cusì, l'impiantazione di protoni in wafer epitassiali 4H-SiC hè un metudu efficace per supprime a degradazione bipolare di i dispositivi à semiconduttori di putenza 4H-SiC mantenendu e prestazioni di u dispositivu. Stu risultatu cuntribuisce à u sviluppu di dispositivi 4H-SiC altamente affidabili.
U carburu di siliciu (SiC) hè largamente ricunnisciutu cum'è un materiale semiconduttore per dispositivi semiconduttori di alta putenza è alta frequenza chì ponu funziunà in ambienti difficili1. Ci sò parechji politipi di SiC, frà i quali 4H-SiC hà eccellenti proprietà fisiche di dispositivi semiconduttori cum'è una alta mobilità elettronica è un forte campu elettricu di rottura2. I wafer 4H-SiC cù un diametru di 6 pollici sò attualmente cummercializati è aduprati per a pruduzzione di massa di dispositivi semiconduttori di putenza3. I sistemi di trazione per veiculi elettrici è treni sò stati fabbricati cù dispositivi semiconduttori di putenza 4H-SiC4.5. Tuttavia, i dispositivi 4H-SiC soffrenu sempre di prublemi di affidabilità à longu andà cum'è a rottura dielettrica o l'affidabilità di cortocircuitu,6,7 di i quali unu di i prublemi di affidabilità più impurtanti hè a degradazione bipolare2,8,9,10,11. Questa degradazione bipolare hè stata scuperta più di 20 anni fà è hè stata dapoi longu un prublema in a fabricazione di dispositivi SiC.
A degradazione bipolare hè causata da un unicu difettu di pila Shockley (1SSF) in cristalli 4H-SiC cù dislocazioni di u pianu basale (BPD) chì si propaganu per ricombinazione enhanced dislocation glide (REDG) 12,13,14,15,16,17,18,19. Dunque, se l'espansione BPD hè soppressa à 1SSF, i dispositivi di putenza 4H-SiC ponu esse fabbricati senza degradazione bipolare. Parechji metudi sò stati segnalati per supprime a propagazione BPD, cum'è a trasfurmazione BPD in Thread Edge Dislocation (TED) 20,21,22,23,24. In l'ultimi wafer epitassiali SiC, u BPD hè principalmente presente in u substratu è micca in u stratu epitassiale per via di a cunversione di BPD in TED durante a fase iniziale di a crescita epitassiale. Dunque, u prublema restante di a degradazione bipolare hè a distribuzione di BPD in u substratu 25,26,27. L'inserzione di un "stratu di rinforzu cumpostu" trà u stratu di deriva è u substratu hè statu prupostu cum'è un metudu efficace per supprimà l'espansione BPD in u substratu28, 29, 30, 31. Stu stratu aumenta a probabilità di ricombinazione di coppie elettrone-lacunu in u stratu epitassiale è u substratu SiC. A riduzione di u numeru di coppie elettrone-lacunu riduce a forza motrice di REDG à BPD in u substratu, dunque u stratu di rinforzu cumpostu pò supprimà a degradazione bipolare. Ci vole à nutà chì l'inserzione di un stratu implica costi supplementari in a pruduzzione di wafers, è senza l'inserzione di un stratu hè difficiule di riduce u numeru di coppie elettrone-lacunu cuntrullendu solu u cuntrollu di a durata di vita di u purtatore. Dunque, ci hè sempre un forte bisognu di sviluppà altri metudi di soppressione per ottene un megliu equilibriu trà u costu di fabricazione di u dispositivu è u rendimentu.
Siccomu l'estensione di u BPD à 1SSF richiede u muvimentu di dislocazioni parziali (PD), u pinning di u PD hè un approcciu promettente per inibisce a degradazione bipolare. Ancu s'è u pinning di PD da impurità metalliche hè statu signalatu, i FPD in substrati 4H-SiC sò situati à una distanza di più di 5 μm da a superficia di u stratu epitaxiale. Inoltre, postu chì u coefficientu di diffusione di qualsiasi metallu in SiC hè assai chjucu, hè difficiule per l'impurità metalliche di diffondersi in u substratu34. A causa di a massa atomica relativamente grande di i metalli, l'impiantu ionicu di i metalli hè ancu difficiule. In cuntrastu, in u casu di l'idrogenu, l'elementu u più ligeru, l'ioni (protoni) ponu esse impiantati in 4H-SiC à una prufundità di più di 10 µm aduprendu un acceleratore di classe MeV. Dunque, se l'impiantu di protoni affetta u pinning di PD, allora pò esse adupratu per supprime a propagazione di BPD in u substratu. Tuttavia, l'impiantu di protoni pò dannà u 4H-SiC è risultà in una riduzione di e prestazioni di u dispositivu37,38,39,40.
Per superà a degradazione di u dispusitivu per via di l'impiantu di protoni, a ricottura à alta temperatura hè aduprata per riparà i danni, simile à u metudu di ricottura cumunemente adupratu dopu l'impiantu di ioni accettori in u processu di u dispusitivu1, 40, 41, 42. Ancu s'è a spettrometria di massa di ioni secundarii (SIMS)43 hà signalatu a diffusione di l'idrogenu per via di a ricottura à alta temperatura, hè pussibule chì solu a densità di l'atomi d'idrogenu vicinu à u FD ùn sia micca abbastanza per rilevà u pinning di u PR aduprendu SIMS. Dunque, in questu studiu, avemu impiantatu protoni in wafer epitassiali 4H-SiC prima di u prucessu di fabricazione di u dispusitivu, cumprese a ricottura à alta temperatura. Avemu adupratu diodi PiN cum'è strutture sperimentali di u dispusitivu è li avemu fabbricati nantu à wafer epitassiali 4H-SiC impiantati cù protoni. Avemu dopu osservatu e caratteristiche volt-ampere per studià a degradazione di e prestazioni di u dispusitivu per via di l'iniezione di protoni. In seguitu, avemu osservatu l'espansione di 1SSF in l'imaghjini di elettroluminescenza (EL) dopu avè applicatu una tensione elettrica à u diodu PiN. Infine, avemu cunfirmatu l'effettu di l'iniezione di protoni nantu à a soppressione di l'espansione 1SSF.
In a figura 1, a figura 1 mostra e caratteristiche corrente-tensione (CVC) di i diodi PiN à temperatura ambiente in regioni cù è senza impiantazione di protoni prima di a corrente pulsata. I diodi PiN cù iniezione di protoni mostranu caratteristiche di rettifica simili à i diodi senza iniezione di protoni, ancu s'è e caratteristiche IV sò spartute trà i diodi. Per indicà a differenza trà e cundizioni d'iniezione, avemu tracciatu a frequenza di tensione à una densità di corrente diretta di 2,5 A/cm2 (currispondente à 100 mA) cum'è un graficu statisticu cum'è mostratu in a figura 2. A curva apprussimata da una distribuzione nurmale hè ancu rapprisentata da una linea punteggiata. Cum'è si pò vede da i picchi di e curve, a resistenza aumenta ligeramente à dosi di protoni di 1014 è 1016 cm-2, mentre chì u diodu PiN cù una dosa di protoni di 1012 cm-2 mostra quasi e stesse caratteristiche cum'è senza impiantazione di protoni. Avemu ancu realizatu l'impiantu di protoni dopu a fabricazione di diodi PiN chì ùn anu micca mostratu elettroluminescenza uniforme per via di danni causati da l'impiantu di protoni cum'è mostratu in a Figura S1 cum'è descrittu in studii precedenti37,38,39. Dunque, a ricottura à 1600 °C dopu l'impiantu di ioni Al hè un prucessu necessariu per fabricà dispositivi per attivà l'accettore Al, chì pò riparà i danni causati da l'impiantu di protoni, ciò chì rende i CVC listessi trà i diodi PiN di protoni impiantati è micca impiantati. A frequenza di corrente inversa à -5 V hè ancu presentata in a Figura S2, ùn ci hè micca differenza significativa trà i diodi cù è senza iniezione di protoni.
Caratteristiche volt-ampere di diodi PiN cù è senza protoni iniettati à temperatura ambiente. A legenda indica a dosa di protoni.
Frequenza di tensione à corrente continua 2,5 A/cm2 per i diodi PiN cù protoni iniettati è micca iniettati. A linea punteggiata currisponde à a distribuzione nurmale.
A figura 3 mostra una maghjina EL di un diodu PiN cù una densità di corrente di 25 A/cm2 dopu a tensione. Prima di applicà u caricu di corrente pulsata, e regioni scure di u diodu ùn sò state osservate, cum'è mostratu in a Figura 3. C2. Tuttavia, cum'è mostratu in a figura 3a, in un diodu PiN senza impiantazione di protoni, parechje regioni scure à strisce cù bordi chjari sò state osservate dopu l'applicazione di una tensione elettrica. Tali regioni scure in forma di bastone sò osservate in l'imaghjini EL per 1SSF chì si estendenu da u BPD in u substratu28,29. Invece, alcuni difetti di impilamentu estesi sò stati osservati in i diodi PiN cù protoni impiantati, cum'è mostratu in a Figura 3b-d. Utilizendu a topografia à raggi X, avemu cunfirmatu a presenza di PR chì ponu spustassi da u BPD à u substratu à a periferia di i cuntatti in u diodu PiN senza iniezione di protoni (Fig. 4: sta maghjina senza caccià l'elettrodu superiore (fotografatu, PR sottu à l'elettrodi ùn hè micca visibile). Dunque, a zona scura in l'imaghjina EL currisponde à un BPD 1SSF estesu in u substratu. L'imaghjini EL di altri diodi PiN caricati sò mostrati in e Figure 1 è 2. I video S3-S6 cù è senza zone scure estese (imaghjini EL variabili in u tempu di diodi PiN senza iniezione di protoni è impiantati à 1014 cm-2) sò ancu mostrati in l'infurmazioni supplementari.
Imagine EL di diodi PiN à 25 A/cm2 dopu à 2 ore di stress elettricu (a) senza impiantazione di protoni è cù dosi impiantate di (b) 1012 cm-2, (c) 1014 cm-2 è (d) 1016 cm-2 protoni.
Avemu calculatu a densità di 1SSF allargatu calculendu e zone scure cù bordi brillanti in trè diodi PiN per ogni cundizione, cum'è mostratu in a Figura 5. A densità di 1SSF allargatu diminuisce cù l'aumentu di a dosa di protoni, è ancu à una dosa di 1012 cm-2, a densità di 1SSF allargatu hè significativamente più bassa chè in un diodu PiN micca impiantatu.
Densità aumentate di diodi SF PiN cù è senza impiantazione di protoni dopu u caricamentu cù una corrente pulsata (ogni statu includeva trè diodi carichi).
Accurtà a durata di vita di u purtatore affetta ancu a soppressione di l'espansione, è l'iniezione di protoni riduce a durata di vita di u purtatore32,36. Avemu osservatu durate di vita di i purtatori in un stratu epitassiale di 60 µm di spessore cù protoni iniettati di 1014 cm-2. Da a durata di vita iniziale di u purtatore, ancu s'è l'implantu riduce u valore à ~10%, a successiva ricottura a restaura à ~50%, cum'è mostratu in a Fig. S7. Dunque, a durata di vita di u purtatore, ridutta per via di l'impiantu di protoni, hè restaurata da a ricottura à alta temperatura. Ancu s'è una riduzione di u 50% di a durata di vita di u purtatore sopprime ancu a propagazione di i difetti di impilamentu, e caratteristiche I-V, chì sò tipicamente dipendenti da a durata di vita di u purtatore, mostranu solu differenze minori trà i diodi iniettati è quelli micca impiantati. Dunque, credemu chì l'ancoraggio PD ghjoca un rolu in l'inibizione di l'espansione 1SSF.
Ancu s'è SIMS ùn hà micca rilevatu l'idrogenu dopu a ricottura à 1600 °C, cum'è riportatu in studii precedenti, avemu osservatu l'effettu di l'impiantu di protoni nantu à a soppressione di l'espansione di 1SSF, cum'è mostratu in e Figure 1 è 4. 3, 4. Dunque, pensemu chì u PD hè ancoratu da atomi d'idrogenu cù una densità inferiore à u limite di rilevazione di SIMS (2 × 1016 cm-3) o difetti puntuali indotti da l'impiantu. Ci vole à nutà chì ùn avemu micca cunfirmatu un aumentu di a resistenza in statu di accensione per via di l'allungamentu di 1SSF dopu un caricu di corrente di picco. Questu pò esse duvutu à cuntatti ohmici imperfetti fatti cù u nostru prucessu, chì saranu eliminati in un futuru vicinu.
In cunclusione, avemu sviluppatu un metudu di tempra per estende u BPD à 1SSF in diodi PiN 4H-SiC utilizendu l'impiantu di protoni prima di a fabricazione di u dispusitivu. U deterioramentu di a caratteristica I-V durante l'impiantu di protoni hè insignificante, in particulare à una dosa di protoni di 1012 cm-2, ma l'effettu di soppressione di l'espansione 1SSF hè significativu. Ancu s'è in questu studiu avemu fabricatu diodi PiN di 10 µm di spessore cù impiantu di protoni à una prufundità di 10 µm, hè sempre pussibule ottimizà ulteriormente e cundizioni d'impiantu è applicalli per fabricà altri tipi di dispositivi 4H-SiC. I costi supplementari per a fabricazione di u dispusitivu durante l'impiantu di protoni devenu esse cunsiderati, ma saranu simili à quelli per l'impiantu di ioni d'aluminiu, chì hè u principale prucessu di fabricazione per i dispositivi di putenza 4H-SiC. Cusì, l'impiantu di protoni prima di u trattamentu di u dispusitivu hè un metudu putenziale per fabricà dispositivi di putenza bipolari 4H-SiC senza degenerazione.
Una cialda 4H-SiC di tipu n di 4 pollici cù un spessore di stratu epitassiale di 10 µm è una cuncentrazione di doping donatore di 1 × 1016 cm–3 hè stata aduprata cum'è campione. Prima di processà u dispusitivu, l'ioni H+ sò stati impiantati in a piastra cù una energia di accelerazione di 0,95 MeV à temperatura ambiente finu à una prufundità di circa 10 μm à un angulu nurmale à a superficia di a piastra. Durante l'impiantu di protoni, hè stata aduprata una maschera nantu à una piastra, è a piastra avia sezioni senza è cù una dosa di protoni di 1012, 1014, o 1016 cm-2. Dopu, l'ioni Al cù dosi di protoni di 1020 è 1017 cm–3 sò stati impiantati nantu à tutta a cialda finu à una prufundità di 0–0,2 µm è 0,2–0,5 µm da a superficia, seguita da ricottura à 1600°C per furmà un cappellu di carbone per furmà un stratu ap. di tipu. In seguitu, un cuntattu Ni di u latu posteriore hè statu dipusitatu nantu à u latu di u substratu, mentre chì un cuntattu Ti/Al di u latu frontale in forma di pettine di 2,0 mm × 2,0 mm furmatu da fotolitografia è un prucessu di sbucciatura hè statu dipusitatu nantu à u latu di u stratu epitassiale. Infine, a ricottura di u cuntattu hè stata realizata à una temperatura di 700 °C. Dopu avè tagliatu u wafer in chips, avemu realizatu a caratterizazione di u stress è l'applicazione.
E caratteristiche I-V di i diodi PiN fabbricati sò state osservate cù un analizzatore di parametri di semiconduttori HP4155B. Cum'è stress elettricu, una corrente pulsata di 10 millisecondi di 212,5 A/cm2 hè stata introdutta per 2 ore à una frequenza di 10 impulsi/sec. Quandu avemu sceltu una densità di corrente o frequenza più bassa, ùn avemu micca osservatu espansione 1SSF ancu in un diodu PiN senza iniezione di protoni. Durante a tensione elettrica applicata, a temperatura di u diodu PiN hè intornu à 70°C senza riscaldamentu intenzionale, cum'è mostratu in a Figura S8. L'imaghjini elettroluminescenti sò state ottenute prima è dopu u stress elettricu à una densità di corrente di 25 A/cm2. Topografia di raggi X à incidenza radente per riflessione di sincrotrone cù un fasciu di raggi X monocromaticu (λ = 0,15 nm) à u Centru di Radiazione di Sincrotrone di Aichi, u vettore ag in BL8S2 hè -1-128 o 11-28 (vede rif. 44 per i dettagli). ).
A frequenza di tensione à una densità di corrente diretta di 2,5 A/cm2 hè estratta cù un intervallu di 0,5 V in a figura 2 secondu u CVC di ogni statu di u diodu PiN. Da u valore mediu di a tensione Vave è a deviazione standard σ di a tensione, tracciamu una curva di distribuzione nurmale in forma di linea punteggiata in a Figura 2 aduprendu a seguente equazione:
Werner, MR è Fahrner, WR Rivista nantu à i materiali, i microsensori, i sistemi è i dispusitivi per applicazioni à alta temperatura è in ambienti difficili. Werner, MR è Fahrner, WR Rivista nantu à i materiali, i microsensori, i sistemi è i dispusitivi per applicazioni à alta temperatura è in ambienti difficili.Werner, MR è Farner, WR Panoramica di materiali, microsensori, sistemi è dispositivi per applicazioni in ambienti à alta temperatura è difficili. Werner, MR & Fahrner, WR 对用于高温和恶劣环境应用的材料、微传感器、系统和设备的诂 Werner, MR è Fahrner, WR Revisione di materiali, microsensori, sistemi è dispositivi per applicazioni à alta temperatura è ambientali avversi.Werner, MR è Farner, WR Panoramica di materiali, microsensori, sistemi è dispositivi per applicazioni à alte temperature è cundizioni difficili.IEEE Trans. Elettronica industriale. 48, 249–257 (2001).
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Song, H. & Sudarshan, TS Cunversione di dislocazione di u pianu basale vicinu à l'interfaccia epilayer/substratu in a crescita epitaxiale di 4° fora d'asse 4H-SiC. Song, H. & Sudarshan, TS Cunversione di dislocazione di u pianu basale vicinu à l'interfaccia epilayer/substratu in a crescita epitaxiale di 4° fora d'asse 4H-SiC.Song, H. è Sudarshan, TS Trasfurmazione di dislocazioni di u pianu basale vicinu à l'interfaccia stratu epitassiale/substratu durante a crescita epitassiale fora d'asse di 4H-SiC. Song, H. & Sudarshan, TS 在4° 离轴4H-SiC 外延生长中外延层/衬底界面附近的基底平面位换怂 Song, H. & Sudarshan, TS 在4° 离轴4H-SiC Song, H. è Sudarshan, TSTransizione di dislocazione planare di u substratu vicinu à u cunfine stratu epitassiale/substratu durante a crescita epitassiale di 4H-SiC fora di l'asse 4°.J. Crystal. Crescita 371, 94–101 (2013).
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Data di publicazione: 06 di nuvembre di u 2022
