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Le SiC-4H est commercialisé comme matériau pour les dispositifs semi-conducteurs de puissance. Cependant, la fiabilité à long terme de ces dispositifs constitue un frein à leur large application, et le problème de fiabilité le plus important est la dégradation bipolaire. Cette dégradation est causée par la propagation d'un défaut d'empilement de Shockley unique (1SSF) dû à des dislocations du plan basal dans les cristaux de SiC-4H. Nous proposons ici une méthode pour supprimer l'expansion des 1SSF par implantation de protons sur des plaquettes épitaxiales de SiC-4H. Les diodes PiN fabriquées sur des plaquettes implantées avec des protons présentent les mêmes caractéristiques courant-tension que les diodes non implantées. En revanche, l'expansion des 1SSF est efficacement supprimée dans la diode PiN implantée avec des protons. Ainsi, l'implantation de protons dans les plaquettes épitaxiales de SiC-4H est une méthode efficace pour supprimer la dégradation bipolaire des dispositifs semi-conducteurs de puissance en SiC-4H tout en préservant leurs performances. Ce résultat contribue au développement de dispositifs 4H-SiC hautement fiables.
Le carbure de silicium (SiC) est largement reconnu comme un matériau semi-conducteur pour les dispositifs haute puissance et haute fréquence capables de fonctionner dans des environnements difficiles¹. Il existe de nombreux polytypes de SiC, parmi lesquels le 4H-SiC présente d'excellentes propriétés physiques pour les dispositifs semi-conducteurs, telles qu'une mobilité électronique élevée et un champ électrique de claquage important². Les plaquettes de 4H-SiC de 6 pouces de diamètre sont actuellement commercialisées et utilisées pour la production en série de dispositifs semi-conducteurs de puissance³. Les systèmes de traction pour véhicules et trains électriques ont été fabriqués à partir de dispositifs semi-conducteurs de puissance en 4H-SiC⁴.⁵. Cependant, les dispositifs en 4H-SiC souffrent encore de problèmes de fiabilité à long terme, tels que le claquage diélectrique ou la fiabilité en court-circuit⁶,⁷, dont l'un des plus importants est la dégradation bipolaire²,⁸,⁹,¹⁰,¹¹. Découverte il y a plus de 20 ans, cette dégradation bipolaire constitue depuis longtemps un problème majeur dans la fabrication des dispositifs en SiC.
La dégradation bipolaire est causée par un défaut d'empilement de Shockley unique (1SSF) dans les cristaux de 4H-SiC, les dislocations de plan basal (BPD) se propageant par glissement de dislocation amélioré par recombinaison (REDG)12,13,14,15,16,17,18,19. Par conséquent, si l'expansion des BPD est limitée à un 1SSF, des dispositifs de puissance en 4H-SiC peuvent être fabriqués sans dégradation bipolaire. Plusieurs méthodes ont été décrites pour limiter la propagation des BPD, telles que la transformation des BPD en dislocations de bord de filetage (TED)20,21,22,23,24. Dans les plaquettes épitaxiales de SiC les plus récentes, les BPD sont principalement présentes dans le substrat et non dans la couche épitaxiale, en raison de leur conversion en TED lors de la phase initiale de croissance épitaxiale. Le problème persistant de la dégradation bipolaire réside donc dans la distribution des BPD dans le substrat25,26,27. L'insertion d'une couche de renforcement composite entre la couche de dérive et le substrat a été proposée comme une méthode efficace pour limiter l'expansion de la dégradation bipolaire (BPD) dans le substrat28, 29, 30, 31. Cette couche augmente la probabilité de recombinaison des paires électron-trou dans la couche épitaxiale et le substrat SiC. La réduction du nombre de paires électron-trou diminue la force motrice de la recombinaison inverse du gradient électrochimique (REDG) vers la BPD dans le substrat, permettant ainsi à la couche de renforcement composite de limiter la dégradation bipolaire. Il convient de noter que l'insertion d'une telle couche engendre des coûts supplémentaires lors de la production des plaquettes, et que, sans elle, il est difficile de réduire le nombre de paires électron-trou en agissant uniquement sur la durée de vie des porteurs. Par conséquent, le développement d'autres méthodes de limitation de la BPD reste essentiel pour optimiser le rapport coût/rendement de fabrication des dispositifs.
L'extension de la BPD à 1SSF nécessitant le déplacement de dislocations partielles (DP), le blocage de ces DP constitue une approche prometteuse pour inhiber la dégradation bipolaire. Bien que le blocage des DP par des impuretés métalliques ait été rapporté, les FPD dans les substrats de 4H-SiC sont situées à plus de 5 µm de la surface de la couche épitaxiale. De plus, le coefficient de diffusion des métaux dans le SiC étant très faible, la diffusion des impuretés métalliques dans le substrat est difficile34. L'implantation ionique des métaux est également complexe en raison de leur masse atomique relativement élevée. En revanche, dans le cas de l'hydrogène, l'élément le plus léger, des ions (protons) peuvent être implantés dans le 4H-SiC à une profondeur supérieure à 10 µm à l'aide d'un accélérateur de classe MeV. Par conséquent, si l'implantation de protons permet de bloquer la propagation de la BPD dans le substrat, elle pourrait être utilisée pour supprimer cette propagation. Cependant, l'implantation de protons peut endommager le 4H-SiC et entraîner une réduction des performances du dispositif37,38,39,40.
Pour pallier la dégradation des dispositifs due à l'implantation de protons, un recuit à haute température est utilisé pour réparer les dommages, similaire à la méthode de recuit couramment employée après l'implantation d'ions accepteurs lors de la fabrication des dispositifs1, 40, 41, 42. Bien que la spectrométrie de masse d'ions secondaires (SIMS)43 ait mis en évidence une diffusion d'hydrogène suite au recuit à haute température, il est possible que la seule densité d'atomes d'hydrogène à proximité de la zone de diffusion (FD) ne suffise pas à détecter le blocage de la zone de diffusion (PR) par SIMS. Par conséquent, dans cette étude, nous avons implanté des protons dans des plaquettes épitaxiales de 4H-SiC avant le processus de fabrication des dispositifs, incluant un recuit à haute température. Nous avons utilisé des diodes PiN comme structures expérimentales et les avons fabriquées sur des plaquettes épitaxiales de 4H-SiC implantées avec des protons. Nous avons ensuite observé les caractéristiques courant-tension afin d'étudier la dégradation des performances des dispositifs due à l'injection de protons. Nous avons ensuite observé l'expansion de la 1SSF sur les images d'électroluminescence (EL) après application d'une tension électrique à la diode PiN. Enfin, nous avons confirmé l'effet de l'injection de protons sur la suppression de cette expansion.
La figure 1 présente les caractéristiques courant-tension (C-V) des diodes PiN à température ambiante, avec et sans implantation de protons avant l'application du courant pulsé. Les diodes PiN ayant subi une injection de protons présentent des caractéristiques de redressement similaires à celles des diodes n'ayant pas subi d'injection de protons, bien que leurs caractéristiques courant-tension soient identiques. Afin de mettre en évidence la différence entre les conditions d'injection, nous avons tracé la tension en fonction de la fréquence pour une densité de courant direct de 2,5 A/cm² (correspondant à 100 mA) sous forme de graphique statistique (figure 2). La courbe approximée par une distribution normale est également représentée par une ligne pointillée. Comme on peut le constater sur les pics des courbes, la résistance à l'état passant augmente légèrement pour des doses de protons de 10¹⁴ et 10¹⁶ cm⁻², tandis que la diode PiN ayant subi une injection de protons de 10¹² cm⁻² présente des caractéristiques quasiment identiques à celles de la diode n'ayant pas subi d'injection de protons. Nous avons également réalisé une implantation de protons après la fabrication de diodes PiN présentant une électroluminescence non uniforme, due aux dommages induits par l'implantation (voir figure S1 et comme décrit dans des études précédentes37,38,39). Un recuit à 1600 °C après implantation d'ions Al est donc nécessaire pour activer l'accepteur Al et réparer les dommages causés par l'implantation de protons, uniformisant ainsi les caractéristiques courant-tension (CV) des diodes PiN implantées et non implantées. La fréquence du courant inverse à -5 V est présentée figure S2 ; aucune différence significative n'est observée entre les diodes avec et sans injection de protons.
Caractéristiques courant-tension des diodes PiN avec et sans injection de protons à température ambiante. La légende indique la dose de protons.
Fréquence de la tension à courant continu de 2,5 A/cm² pour les diodes PiN avec et sans injection de protons. La ligne pointillée correspond à la distribution normale.
La figure 3 présente une image d'électroluminescence (EL) d'une diode PiN avec une densité de courant de 25 A/cm² après application d'une tension. Avant l'application de la charge de courant pulsé, aucune zone sombre n'était visible sur la diode (figure 3.C2). Cependant, comme le montre la figure 3a, dans une diode PiN sans implantation de protons, plusieurs zones sombres striées aux bords clairs sont observées après application d'une tension électrique. De telles zones sombres en forme de bâtonnets sont observées sur les images EL de défauts d'empilement monocouche (1SSF) s'étendant à partir de la dislocation de la couche limite (BPD) dans le substrat28,29. En revanche, des défauts d'empilement étendus sont observés dans les diodes PiN avec implantation de protons (figures 3b à 3d). L'utilisation de la topographie aux rayons X a permis de confirmer la présence de PR (réseaux photoniques) capables de se déplacer de la BPD (disque de jonction) vers le substrat à la périphérie des contacts de la diode PiN, sans injection de protons (Fig. 4 : cette image a été prise sans retirer l'électrode supérieure (photographiée, le PR sous les électrodes n'est pas visible)). Par conséquent, la zone sombre sur l'image d'électroluminescence (EL) correspond à une BPD 1SSF étendue dans le substrat. Les images EL d'autres diodes PiN chargées sont présentées dans les figures 1 et 2. Les vidéos S3 à S6, avec et sans zones sombres étendues (images EL de diodes PiN à évolution temporelle, sans injection de protons et implantées à 10¹⁴ cm⁻²), sont également disponibles dans les informations supplémentaires.
Images EL de diodes PiN à 25 A/cm2 après 2 heures de contrainte électrique (a) sans implantation de protons et avec des doses implantées de (b) 1012 cm-2, (c) 1014 cm-2 et (d) 1016 cm-2 protons.
Nous avons calculé la densité de 1SSF étendue en calculant les zones sombres avec des bords brillants dans trois diodes PiN pour chaque condition, comme indiqué sur la figure 5. La densité de 1SSF étendue diminue avec l'augmentation de la dose de protons, et même à une dose de 1012 cm-2, la densité de 1SSF étendue est significativement inférieure à celle d'une diode PiN non implantée.
Densités accrues de diodes SF PiN avec et sans implantation de protons après chargement par courant pulsé (chaque état comprenait trois diodes chargées).
La réduction de la durée de vie des porteurs influe également sur la suppression de l'expansion, et l'injection de protons la diminue32,36. Nous avons observé des durées de vie de porteurs de 1014 cm-2 dans une couche épitaxiale de 60 µm d'épaisseur avec injection de protons. Bien que l'implantation réduise la durée de vie initiale des porteurs à environ 10 %, un recuit ultérieur la restaure à environ 50 %, comme illustré sur la figure S7. Ainsi, la durée de vie des porteurs, réduite par l'implantation de protons, est restaurée par un recuit à haute température. Bien qu'une réduction de 50 % de la durée de vie des porteurs supprime également la propagation des défauts d'empilement, les caractéristiques courant-tension (I-V), qui dépendent généralement de la durée de vie des porteurs, ne présentent que des différences mineures entre les diodes implantées et non implantées. Par conséquent, nous pensons que l'ancrage des photodétecteurs (PD) joue un rôle dans l'inhibition de l'expansion des défauts d'empilement de premier ordre (1SSF).
Bien que la SIMS n'ait pas détecté d'hydrogène après recuit à 1600 °C, comme indiqué dans des études précédentes, nous avons observé l'effet de l'implantation de protons sur la suppression de l'expansion de la zone de faible épaisseur (1SSF), comme illustré sur les figures 1 et 4. Nous pensons donc que la photodétectrice (PD) est ancrée par des atomes d'hydrogène dont la densité est inférieure au seuil de détection de la SIMS (2 × 10¹⁶ cm⁻³) ou par des défauts ponctuels induits par l'implantation. Il est à noter que nous n'avons pas constaté d'augmentation de la résistance à l'état passant due à l'allongement de la zone 1SSF après une surintensité. Ceci pourrait être dû à des contacts ohmiques imparfaits, défauts qui seront corrigés prochainement.
En conclusion, nous avons développé une méthode de trempe permettant d'étendre la bande interdite (BPD) à la surface de valence (1SSF) dans les diodes PiN en 4H-SiC, grâce à l'implantation de protons avant la fabrication du dispositif. La détérioration de la caractéristique courant-tension (I-V) lors de l'implantation de protons est négligeable, notamment à une dose de 10¹² cm⁻², tandis que l'effet de suppression de l'expansion de la 1SSF est significatif. Bien que nous ayons fabriqué dans cette étude des diodes PiN de 10 µm d'épaisseur par implantation de protons à une profondeur de 10 µm, il est possible d'optimiser davantage les conditions d'implantation et de les appliquer à la fabrication d'autres types de dispositifs en 4H-SiC. Les coûts supplémentaires liés à la fabrication des dispositifs par implantation de protons doivent être pris en compte, mais ils seront similaires à ceux de l'implantation d'ions aluminium, principal procédé de fabrication des dispositifs de puissance en 4H-SiC. Ainsi, l'implantation de protons avant l'élaboration du dispositif constitue une méthode prometteuse pour la fabrication de dispositifs de puissance bipolaires en 4H-SiC sans dégradation.
Un échantillon de 4 pouces de silicium monocristallin de type n (4H-SiC) avec une couche épitaxiale de 10 µm d'épaisseur et une concentration de dopage donneur de 1 × 10¹⁶ cm⁻³ a été utilisé. Avant la fabrication du dispositif, des ions H⁺ ont été implantés dans la plaque à température ambiante, à une profondeur d'environ 10 µm et sous un angle normal à la surface, avec une énergie d'accélération de 0,95 MeV. Lors de l'implantation de protons, un masque a été utilisé sur la plaque, qui présentait des zones sans implantation et des zones avec une dose de protons de 10¹², 10¹⁴ ou 10¹⁶ cm⁻². Des ions Al, avec des doses de protons de 10²⁷ et 10¹⁷ cm⁻³, ont ensuite été implantés sur toute la surface de la plaquette, à des profondeurs de 0 à 0,2 µm et de 0,2 à 0,5 µm, suivies d'un recuit à 1600 °C pour former une couche de carbone de type ap. Un contact Ni a ensuite été déposé sur la face arrière, côté substrat, tandis qu'un contact Ti/Al en forme de peigne de 2,0 mm × 2,0 mm, formé par photolithographie et décollement, a été déposé sur la face avant de la couche épitaxiale. Enfin, un recuit des contacts a été réalisé à 700 °C. Après découpe de la plaquette en puces, une caractérisation des contraintes et une application ont été effectuées.
Les caractéristiques courant-tension (I-V) des diodes PiN fabriquées ont été observées à l'aide d'un analyseur de paramètres de semi-conducteurs HP4155B. Une contrainte électrique a été appliquée sous forme d'impulsions de courant de 212,5 A/cm² d'une durée de 10 millisecondes, pendant 2 heures à une fréquence de 10 impulsions/s. À des densités de courant ou des fréquences inférieures, aucune expansion de la couche limite d'état initial (1SSF) n'a été observée, même dans une diode PiN sans injection de protons. Sous tension, la température de la diode PiN s'est maintenue autour de 70 °C sans chauffage intentionnel, comme illustré sur la figure S8. Des images d'électroluminescence ont été obtenues avant et après la contrainte électrique à une densité de courant de 25 A/cm². La topographie par rayons X en incidence rasante par réflexion synchrotron a été réalisée à l'aide d'un faisceau de rayons X monochromatique (λ = 0,15 nm) au Centre de rayonnement synchrotron d'Aichi. Le vecteur ag dans la ligne de lumière BL8S2 est -1-128 ou 11-28 (voir réf. 44 pour plus de détails).
La fréquence de tension à une densité de courant direct de 2,5 A/cm² est extraite par intervalles de 0,5 V sur la figure 2, en fonction de la caractéristique courant-tension (CVC) de chaque état de la diode PiN. À partir de la valeur moyenne de la contrainte Vave et de l'écart type σ de la contrainte, nous traçons une courbe de distribution normale (en pointillés) sur la figure 2, selon l'équation suivante :
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Date de publication : 6 novembre 2022
