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4H-SiC hè statu cummercializatu cum'è materiale per i dispositi semiconduttori di putenza.Tuttavia, l'affidabilità à longu andà di i dispositi 4H-SiC hè un ostaculu à a so larga applicazione, è u prublema più impurtante di affidabilità di i dispositi 4H-SiC hè a degradazione bipolari.Questa degradazione hè causata da una propagazione di una sola falla di stacking Shockley (1SSF) di dislocazioni di u pianu basale in cristalli 4H-SiC.Quì, prupunemu un metudu per suppressione l'espansione 1SSF impiantendu protoni nantu à wafers epitassiali 4H-SiC.I diodi PiN fabbricati nantu à wafers cù l'implantazione di protoni mostranu e stesse caratteristiche di tensione di corrente cum'è i diodi senza implantazione di protoni.In cuntrastu, l'espansione 1SSF hè soppressa in modu efficace in u diodu PiN implantatu da protoni.Cusì, l'implantazione di protoni in wafers epitassiali 4H-SiC hè un metudu efficace per suppressione a degradazione bipolari di i dispositi semiconduttori di potenza 4H-SiC mantenendu u rendiment di u dispusitivu.Stu risultatu cuntribuisci à u sviluppu di dispusitivi 4H-SiC assai affidabili.
U carburu di siliciu (SiC) hè largamente ricunnisciutu com'è un materiale semiconductor per i dispositi semiconduttori d'alta putenza è d'alta frequenza chì ponu operare in ambienti duri1.Ci sò parechji politipi di SiC, trà i quali 4H-SiC hà eccellenti proprietà fisiche di u dispositivu semiconductor cum'è una alta mobilità di l'elettroni è un forte campu elettricu di rottura2.Wafers 4H-SiC cù un diametru di 6 inch sò attualmente cummercializati è usati per a produzzione in massa di dispositivi semiconduttori di putenza3.I sistemi di trazione per i veiculi elettrici è i treni sò stati fabbricati cù i dispositi semiconduttori di putenza 4H-SiC4.5.Tuttavia, i dispositi 4H-SiC soffrenu sempre di prublemi di affidabilità à longu andà, cum'è a rottura dielettrica o affidabilità di cortu circuitu, 6,7 di quale unu di i prublemi di affidabilità più impurtanti hè a degradazione bipolari2,8,9,10,11.Questa degradazione bipolari hè stata scuperta più di 20 anni fà è hè statu longu un prublema in a fabricazione di dispositivi SiC.
A degradazione bipolari hè causata da un unicu difettu di stack Shockley (1SSF) in cristalli 4H-SiC cù dislocazioni di u pianu basale (BPDs) chì si propaganu per recombination enhanced dislocation glide (REDG)12,13,14,15,16,17,18,19.Dunque, se l'espansione BPD hè suppressa à 1SSF, i dispositi di putenza 4H-SiC ponu esse fabbricati senza degradazione bipolari.Diversi metudi sò stati rappurtati per suppressione a propagazione BPD, cum'è a trasformazione BPD à Thread Edge Dislocation (TED) 20,21,22,23,24.In l'ultimi wafers epitaxiali SiC, u BPD hè principarmenti presente in u sustrato è micca in a capa epitaxial per via di a cunversione di BPD à TED durante a fase iniziale di crescita epitaxial.Dunque, u prublema restante di a degradazione bipolari hè a distribuzione di BPD in u sustrato 25,26,27.L'inserzione di una "strata di rinforzu cumpostu" trà a strata di drift è u sustrato hè stata pruposta cum'è un metudu efficau per suppressione l'espansione di BPD in u sustrato28, 29, 30, 31. Questa capa aumenta a probabilità di recombinazione di coppiu electron-hole in u sustrato. strato epitassiale è sustrato SiC.A riduzione di u numeru di coppie elettroni-buchi riduce a forza motrice di REDG à BPD in u sustrato, cusì a strata di rinforzu compostu pò suppressione a degradazione bipolari.Semu devi esse nutatu chì l'inserimentu di una strata implica costi supplementari in a produzzione di wafers, è senza l'inserimentu di una strata hè difficiule di riduce u nùmeru di coppie elettroni-buchi cuntrullendu solu u cuntrollu di a vita di u trasportatore.Dunque, ci hè sempre un forte bisognu di sviluppà altri metudi di suppressione per ottene un equilibriu megliu trà u costu di fabricazione di u dispusitivu è u rendiment.
Perchè l'estensione di u BPD à 1SSF richiede u muvimentu di dislocazioni parziali (PD), pinning the PD hè un approcciu promettente per inibisce a degradazione bipolari.Ancu se u PD pinning 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 a capa epitaxial.Inoltre, postu chì u coefficient di diffusione di qualsiasi metallu in SiC hè assai chjuca, hè difficiule per l'impurità metalliche di sparghje in u sustrato34.A causa di a massa atomica relativamente grande di metalli, l'implantazione di ioni di metalli hè ancu difficiule.In cuntrastu, in u casu di l'idrogenu, l'elementu più ligeru, ioni (protoni) pò esse implantatu in 4H-SiC à una prufundità di più di 10 µm cù un acceleratore di classe MeV.Dunque, se l'implantazione di protoni affetta u pinning PD, pò esse usata per suppressione a propagazione di BPD in u sustrato.Tuttavia, l'implantazione di protoni pò dannà 4H-SiC è risultatu in un rendimentu ridottu di u dispositivu37,38,39,40.
Per superà a degradazione di u dispositivu per l'implantazione di protoni, l'annealing à alta temperatura hè utilizatu per riparà i danni, simili à u metudu d'annealing comunmente utilizatu dopu l'implantazione di ioni accettatori in u processu di u dispositivu1, 40, 41, 42. Ancu s'è a spettrometria di massa ionica secundaria (SIMS)43 hà. rappurtatu diffusion hydrogen a causa di annealing high-temperature, hè pussibili chì solu a densità di atomi hydrogen vicinu à u FD ùn hè micca abbastanza à detect u pinning di u PR cù SIMS.Dunque, in stu studiu, avemu implantatu protoni in wafers epitassiali 4H-SiC prima di u prucessu di fabricazione di u dispusitivu, cumpresu l'annealing à alta temperatura.Avemu usatu diodi PiN cum'è strutture sperimentali di u dispositivu è i fabbricati nantu à wafers epitassiali 4H-SiC impiantati da protoni.Dopu avemu osservatu e caratteristiche volt-ampere per studià a degradazione di u rendiment di u dispositivu per via di l'iniezione di protoni.In seguitu, avemu osservatu l'espansione di 1SSF in l'imaghjini di l'elettroluminescenza (EL) dopu applicà una tensione elettrica à u diodu PiN.Infine, avemu cunfirmatu l'effettu di l'iniezione di protoni nantu à a suppressione di l'espansione 1SSF.
Nantu à fig.A Figura 1 mostra e caratteristiche di corrente-tensione (CVC) di diodi PiN à a temperatura di l'ambienti in e regioni cù è senza implantazione di protoni prima di corrente pulsata.I diodi PiN cù iniezione di protoni mostranu caratteristiche di rettificazione simili à i diodi senza iniezione di protoni, ancu s'è e caratteristiche IV sò spartute trà i diodi.Per indicà a diffarenza trà e cundizioni d'iniezione, avemu tracciatu a freccia di tensione à una densità di corrente in avanti di 2,5 A / cm2 (currispondente à 100 mA) cum'è una trama statistica cum'è mostra in a Figura 2. A curva apprussimata da una distribuzione normale hè ancu rapprisentata. da una linea tratteggiata.linea.Comu pò esse vistu da i picchi di e curve, a resistenza à l'onde aumenta ligeramente à dosi di protoni di 1014 è 1016 cm-2, mentri u diodu PiN cù una dosa di protoni di 1012 cm-2 mostra quasi e stesse caratteristiche chì senza implantazione di protoni. .Avemu ancu realizatu l'implantazione di protoni dopu a fabricazione di diodi PiN chì ùn anu micca mostratu l'elettroluminescenza uniforme per via di danni causati da l'implantazione di protoni cum'è mostra in Figura S1 cum'è descritta in studii precedenti37,38,39.Dunque, l'annealing à 1600 ° C dopu l'implantazione di ioni Al hè un prucessu necessariu per fabricà i dispusitivi per attivà l'accettore Al, chì pò riparà i danni causati da l'implantazione di protoni, chì rende i CVC uguali trà i diodi PiN di protoni impiantati è micca implantati. .A frequenza di corrente inversa à -5 V hè ancu presentata in a Figura S2, ùn ci hè micca una differenza significativa trà diodi cù è senza iniezione di protoni.
Caractéristiques volt-ampère des diodes PiN avec et sans protons injectés à température ambiante.A legenda indica a dosa di protoni.
Frequenza di tensione in corrente diretta 2,5 A/cm2 per diodi PiN cù protoni injected è micca injected.A linea punteggiata currisponde à a distribuzione normale.
Nantu à fig.3 mostra una maghjina EL di un diodu PiN cù una densità di corrente di 25 A / cm2 dopu a tensione.Prima di applicà a carica di corrente pulsata, e regioni scure di u diodu ùn anu micca osservatu, cum'è mostra in Figura 3. C2.Tuttavia, cum'è mostra in fig.3a, in un diodu PiN senza implantazione di protoni, parechje regioni strisce scure cù bordi di luce 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 estende da u BPD in u sustrato28,29.Invece, certi difetti di stacking estesi sò stati osservati in diodi PiN cù protoni impiantati, cum'è mostra in Fig. 3b-d.Utilizendu a topografia di raghji X, avemu cunfirmatu a prisenza di PR chì ponu spustà da u BPD à u sustrato 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). Per quessa, l'area scura in l'imaghjina EL currisponde à un 1SSF BPD estensatu in u sustrato. L'imaghjini EL di altri diodi PiN caricati sò mostrati in Figure 1 è 2. Video S3-S6 cù è senza allargatu. zoni scuri (imaghjini EL chì varianu in u tempu di diodi PiN senza iniezione di protoni è implantati à 1014 cm-2) sò ancu mostrati in Informazioni supplementari.
L'imaghjini EL di diodi PiN à 25 A/cm2 dopu à 2 ore di stress elettricu (a) senza implantazione di protoni è cù dosi impiantati di (b) 1012 cm-2, (c) 1014 cm-2 è (d) 1016 cm-2 protoni.
Avemu calculatu a densità di 1SSF espansu calculendu zoni scuri cù bordi brillanti in trè diodi PiN per ogni cundizione, cum'è mostra in a Figura 5. A densità di 1SSF espansi diminuisce cù a dosa di protoni crescente, è ancu à una dosa di 1012 cm-2, a densità di 1SSF espansa hè significativamente più bassu chè in un diodu PiN non-implanted.
Densità aumentata di diodi SF PiN cù è senza implantazione di protoni dopu a carica cù una corrente pulsata (ogni statu includeva trè diodi caricati).
A scurzà a vita di u trasportatore affetta ancu a suppressione di espansione, è l'iniezione di protoni riduce a vita di u trasportatore32,36.Avemu osservatu a vita di u trasportatore in una capa epitassiale di 60 µm di spessore cù protoni injected di 1014 cm-2.Da a vita iniziale di u traspurtadore, ancu s'è l'implantu riduce u valore à ~ 10%, l'annealing sussegwente restaurà à ~ 50%, cum'è mostra in Fig. S7.Dunque, a vita di u trasportatore, ridutta per via di l'implantazione di protoni, hè restaurata da l'annealing à alta temperatura.Ancu se una riduzione di u 50% in a vita di u trasportatore supprime ancu a propagazione di i difetti di stacking, e caratteristiche I-V, chì sò tipicamente dipendenti da a vita di u trasportatore, mostranu solu differenze minori trà diodi injected è micca implantati.Dunque, credemu chì l'ancorazione PD ghjoca un rolu in inibisce l'espansione 1SSF.
Ancu s'ellu SIMS ùn hà micca rilevatu l'idrogenu dopu à l'anneling à 1600 ° C, cum'è infurmatu in studii precedenti, avemu osservatu l'effettu di l'implantazione di protoni nantu à a suppressione di l'espansione 1SSF, cum'è mostra in Figure 1 è 4. 3, 4. Per quessa, credemu chì u PD hè ancoratu da l'atomi di l'idrogenu cù a densità sottu à u limitu di rilevazione di SIMS (2 × 1016 cm-3) o difetti puntuali indotti da l'implantazione.Semu devi esse nutatu chì ùn avemu micca cunfirmatu un aumentu di a resistenza di u statu per via di l'allungamentu di 1SSF dopu una carica di corrente surge.Questu pò esse dovutu à cuntatti ohmichi imperfetti fatti cù u nostru prucessu, chì serà eliminatu in un futuru vicinu.
In cunclusione, avemu sviluppatu un metudu di quenching per allargà u BPD à 1SSF in diodi 4H-SiC PiN utilizendu l'implantazione di protoni prima di a fabricazione di u dispusitivu.U deterioramentu di a caratteristica I-V durante l'implantazione di protoni hè insignificante, soprattuttu à una dosa di protoni di 1012 cm-2, ma l'effettu di suppressione di l'espansione 1SSF hè significativu.Ancu s'ellu in stu studiu avemu fabricatu diodi PiN di 10 µm di spessore cù l'implantazione di protoni à una prufundità di 10 µm, hè sempre pussibule ottimisà ulteriormente e cundizioni d'implantazione è applicà per fabricà altri tipi di dispositivi 4H-SiC.I costi supplementari per a fabricazione di u dispositivu durante l'implantazione di protoni deve esse cunsideratu, ma seranu simili à quelli per l'implantazione di ioni d'aluminiu, chì hè u prucessu di fabricazione principale per i dispositi di putenza 4H-SiC.Cusì, l'implantazione di protoni prima di a trasfurmazioni di u dispositivu hè un metudu potenziale per a fabricazione di dispositivi bipolari 4H-SiC senza degenerazione.
Un wafer 4H-SiC di 4-inch n-type cun un spessore di strati epitassiali di 10 µm è una concentrazione di doping di donatore di 1 × 1016 cm–3 hè stata utilizata cum'è mostra.Prima di trasfurmà u dispusitivu, i ioni H + sò stati impiantati in a piastra cù una energia di accelerazione di 0,95 MeV à a temperatura di l'ambienti à una prufundità di circa 10 μm à un angolo normale à a superficia di a piastra.Durante l'implantazione di protoni, una mascara nantu à una piastra hè stata aduprata, è a piastra avia sezioni senza è cù una dosa di protoni di 1012, 1014 o 1016 cm-2.Allora, l'ioni Al cù dosi di protoni di 1020 è 1017 cm–3 sò stati impiantati nantu à tutta a wafer à una prufundità di 0–0,2 µm è 0,2–0,5 µm da a superficia, seguita da un annealing à 1600 ° C per formà un capu di carbone per forma ap strata.- tippu.In seguitu, un cuntattu in Ni di u latu posteriore hè statu dipositu nantu à u latu di u sustrato, mentre chì un cuntattu frontale Ti / Al in forma di pettine di 2,0 mm × 2,0 mm, furmatu da fotolitografia è un prucessu di sbucciatura hè statu dipositu nantu à u latu epitaxial.Infine, l'annealing di cuntattu hè realizatu à una temperatura di 700 ° C.Dopu avè tagliatu l'ostia in patatine fritte, avemu fattu a carattarizazione è l'applicazione di stress.
E caratteristiche I-V di i diodi PiN fabbricati sò state osservate utilizendu un analizzatore di parametri di semiconductor HP4155B.Cum'è un stress elettricu, un currente pulsatu di 10 millisecondi di 212,5 A / cm2 hè statu introduttu per 2 ore à una freccia di 10 impulsi / sec.Quandu avemu sceltu una densità o frequenza di corrente più bassa, ùn avemu micca osservatu l'espansione 1SSF ancu in un diodu PiN senza iniezione di protoni.Durante a tensione elettrica applicata, a temperatura di u diodu PiN hè di circa 70 ° C senza riscaldamentu intenzionale, cum'è mostra in Figura S8.L'imaghjini elettroluminescenti sò stati ottenuti prima è dopu à u stress elettricu à una densità di corrente di 25 A / cm2.Riflessione di sincrotrone incidenza di pastura Topografia di raghji X utilizendu un fasciu di raghji 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 ref. 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 fig.2 secondu u CVC di ogni statu di u diodu PiN.À partir de la valeur moyenne de la contrainte Vave et de l'écart standard σ de la contrainte, on trace une courbe de distribution normale sous la forme d'une ligne pointillée dans la Figure 2 en utilisant l'équation suivante :
Werner, MR & Fahrner, WR Review nantu à i materiali, i microsensori, i sistemi è i dispositi per l'applicazioni à alta temperatura è ambienti duri. Werner, MR & Fahrner, WR Review nantu à i materiali, i microsensori, i sistemi è i dispositi per l'applicazioni à alta temperatura è ambienti duri.Werner, MR è Farner, WR Panoramica di i materiali, i microsensori, i sistemi è i dispositi per l'applicazioni in l'alta temperatura è l'ambienti duri. 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 & Fahrner, WR Revisione di materiali, microsensori, sistemi è dispusitivi per l'applicazioni ambientali à temperature elevate è avversi.Werner, MR è Farner, WR Panoramica di materiali, microsensori, sistemi è dispusitivi per l'applicazioni à temperature elevate è cundizioni duri.IEEE Trans.Elettronica industriale.48, 249-257 (2001).
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Zhang, Z. & Sudarshan, TS Epitassi senza dislocazione di u pianu basale di carburu di siliciu. Zhang, Z. & Sudarshan, TS Epitassi senza dislocazione di u pianu basale di carburu di siliciu.Zhang Z. è Sudarshan TS epitassi senza dislocazione di carbure di siliciu in u pianu basal. Zhang, Z. & Sudarshan, TS 碳化硅基面无位错外延。 Zhang, Z. & Sudarshan, TSZhang Z. è Sudarshan TS epitassi senza dislocazione di piani basali di carburu di siliciu.dichjarazione.fisica.Wright.87, 151913 (2005).
Zhang, Z., Moulton, E. & Sudarshan, TS Meccanismu di eliminazione di dislocazioni di u pianu basale in filmi sottili di SiC per epitassi nantu à un sustrato incisu. Zhang, Z., Moulton, E. & Sudarshan, TS Meccanismu di eliminazione di dislocazioni di u pianu basale in filmi sottili di SiC per epitassi nantu à un sustrato incisu.Zhang Z., Moulton E. è Sudarshan TS Meccanismu di eliminazione di dislocazioni di u pianu di basa in filmi sottili di SiC per epitassi nantu à un sustrato incisu. Zhang, Z., Moulton, E. & Sudarshan, TS 通过在蚀刻衬底上外延消除SiC 薄膜中基面位错的机制。 Zhang, Z., Moulton, E. & Sudarshan, TS U miccanisimu di eliminazione di film magre di SiC per incisione di u sustrato.Zhang Z., Moulton E. è Sudarshan TS Meccanismu di eliminazione di dislocazioni di u pianu di basa in filmi sottili di SiC per epitassi nantu à sustrati incisi.applicazione fisica Wright.89, 081910 (2006).
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Song, H. & Sudarshan, TS Cunversione di dislocazione di u pianu basale vicinu à l'interfaccia epilayer / substratu in crescita epitaxial di 4 ° off-axis 4H-SiC. Song, H. & Sudarshan, TS Cunversione di dislocazione di u pianu basale vicinu à l'interfaccia epilayer / substratu in crescita epitaxial di 4 ° off-axis 4H-SiC.Song, H. è Sudarshan, TS Trasfurmazione di dislocazioni di u pianu basale vicinu à l'interfaccia epitaxial / substratu durante a crescita epitaxial off-axis 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. & Sudarshan, TSTransizione di dislocazione plana di u sustrato vicinu à u cunfini epitaxial / substratu durante a crescita epitaxial di 4H-SiC fora di l'assi 4 °.J. Cristalli.Crescita 371, 94-101 (2013).
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Konishi, K. et al.Cuncepisce strati epitassiali per MOSFET SiC bipolari non degradabili rilevando siti di nucleazione di difetti di stacking estesi in analisi topografiche operative di raghji X.AIP Advanced 12, 035310 (2022).
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Hirayama, T. et al.A distribuzione di a prufundità di a vita di u trasportatore in strati epitassiali spessi 4H-SiC hè stata misurata in modu non distruttivu utilizendu a risoluzione di u tempu di l'assorbimentu di u trasportatore liberu è a luce attraversata.Cambia à a scienza.metru.91, 123902 (2020).
Tempu di Postu: Nov-06-2022