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4H-SiC को विद्युत अर्धचालक उपकरणों के लिए एक सामग्री के रूप में व्यावसायिक रूप से उपयोग में लाया जा चुका है। हालांकि, 4H-SiC उपकरणों की दीर्घकालिक विश्वसनीयता उनके व्यापक अनुप्रयोग में एक बाधा है, और 4H-SiC उपकरणों की सबसे महत्वपूर्ण विश्वसनीयता समस्या द्विध्रुवीय क्षरण है। यह क्षरण 4H-SiC क्रिस्टल में बेसल प्लेन डिसलोकेशन के एकल शॉकली स्टैकिंग फॉल्ट (1SSF) प्रसार के कारण होता है। यहां, हम 4H-SiC एपिटैक्सियल वेफर्स पर प्रोटॉन प्रत्यारोपित करके 1SSF विस्तार को दबाने की एक विधि प्रस्तावित करते हैं। प्रोटॉन प्रत्यारोपित वेफर्स पर निर्मित PiN डायोड ने प्रोटॉन प्रत्यारोपित न किए गए डायोड के समान करंट-वोल्टेज विशेषताएँ प्रदर्शित कीं। इसके विपरीत, प्रोटॉन प्रत्यारोपित PiN डायोड में 1SSF विस्तार को प्रभावी ढंग से दबा दिया गया है। इस प्रकार, 4H-SiC एपिटैक्सियल वेफर्स में प्रोटॉन का प्रत्यारोपण, उपकरण के प्रदर्शन को बनाए रखते हुए 4H-SiC पावर सेमीकंडक्टर उपकरणों के द्विध्रुवीय क्षरण को कम करने का एक प्रभावी तरीका है। यह परिणाम उच्च विश्वसनीयता वाले 4H-SiC उपकरणों के विकास में योगदान देता है।
सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) को उच्च-शक्ति, उच्च-आवृत्ति वाले अर्धचालक उपकरणों के लिए एक अर्धचालक सामग्री के रूप में व्यापक रूप से मान्यता प्राप्त है जो कठोर वातावरण में काम कर सकते हैं1। SiC के कई बहुप्रकार हैं, जिनमें से 4H-SiC में उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता और मजबूत ब्रेकडाउन विद्युत क्षेत्र जैसे उत्कृष्ट अर्धचालक उपकरण भौतिक गुण हैं2। 6 इंच व्यास वाले 4H-SiC वेफर्स वर्तमान में व्यावसायीकृत हैं और पावर अर्धचालक उपकरणों के बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए उपयोग किए जाते हैं3। इलेक्ट्रिक वाहनों और ट्रेनों के लिए कर्षण प्रणालियाँ 4H-SiC4.5 पावर अर्धचालक उपकरणों का उपयोग करके बनाई गई थीं। हालांकि, 4H-SiC उपकरण अभी भी डाइइलेक्ट्रिक ब्रेकडाउन या शॉर्ट-सर्किट विश्वसनीयता जैसी दीर्घकालिक विश्वसनीयता समस्याओं से ग्रस्त हैं6,7, जिनमें से सबसे महत्वपूर्ण विश्वसनीयता समस्याओं में से एक द्विध्रुवीय क्षरण है2,8,9,10,11। इस द्विध्रुवीय क्षरण की खोज 20 साल पहले हुई थी और यह लंबे समय से SiC उपकरण निर्माण में एक समस्या रही है।
4H-SiC क्रिस्टल में एकल शॉकली स्टैक दोष (1SSF) के कारण द्विध्रुवीय क्षरण होता है, जिसमें बेसल प्लेन डिसलोकेशन (BPD) का प्रसार रिकॉम्बिनेशन एनहांस्ड डिसलोकेशन ग्लाइड (REDG) द्वारा होता है।¹²,¹³,¹⁴,¹⁵,¹⁶,¹⁷,¹⁸,¹⁹। इसलिए, यदि BPD के विस्तार को ¹SSF तक सीमित कर दिया जाए, तो द्विध्रुवीय क्षरण के बिना 4H-SiC पावर डिवाइस का निर्माण किया जा सकता है। BPD के प्रसार को रोकने के लिए कई विधियाँ बताई गई हैं, जैसे कि BPD से थ्रेड एज डिसलोकेशन (TED) रूपांतरण²⁰,²¹,²²,²³,²⁴। नवीनतम SiC एपिटैक्सियल वेफर्स में, एपिटैक्सियल वृद्धि के प्रारंभिक चरण के दौरान BPD के TED में परिवर्तित होने के कारण, BPD मुख्य रूप से सबस्ट्रेट में मौजूद होता है, न कि एपिटैक्सियल परत में। इसलिए, द्विध्रुवीय क्षरण की शेष समस्या सबस्ट्रेट में BPD का वितरण है²⁵,²⁶,²⁷। ड्रिफ्ट लेयर और सबस्ट्रेट के बीच एक "कंपोजिट रीइन्फोर्सिंग लेयर" डालने को सबस्ट्रेट में BPD विस्तार को कम करने के एक प्रभावी तरीके के रूप में प्रस्तावित किया गया है28, 29, 30, 31। यह लेयर एपिटैक्सियल लेयर और SiC सबस्ट्रेट में इलेक्ट्रॉन-होल पेयर के पुनर्संयोजन की संभावना को बढ़ाती है। इलेक्ट्रॉन-होल पेयर की संख्या कम होने से सबस्ट्रेट में REDG से BPD तक पहुंचने की प्रेरक शक्ति कम हो जाती है, इसलिए कंपोजिट रीइन्फोर्समेंट लेयर बाइपोलर डिग्रेडेशन को कम कर सकती है। यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि इस लेयर को डालने से वेफर्स के उत्पादन में अतिरिक्त लागत आती है, और इस लेयर को डाले बिना केवल कैरियर लाइफटाइम को नियंत्रित करके इलेक्ट्रॉन-होल पेयर की संख्या को कम करना मुश्किल है। इसलिए, डिवाइस निर्माण लागत और उत्पादन के बीच बेहतर संतुलन प्राप्त करने के लिए अन्य दमन विधियों को विकसित करने की अभी भी बहुत आवश्यकता है।
क्योंकि 1SSF तक BPD के विस्तार के लिए आंशिक विस्थापनों (PDs) की गति आवश्यक होती है, इसलिए PD को स्थिर करना द्विध्रुवीय क्षरण को रोकने का एक आशाजनक तरीका है। यद्यपि धातु अशुद्धियों द्वारा PD को स्थिर करने की सूचना मिली है, 4H-SiC सब्सट्रेट में FPDs एपिटैक्सियल परत की सतह से 5 μm से अधिक दूरी पर स्थित होते हैं। इसके अलावा, चूंकि SiC में किसी भी धातु का प्रसार गुणांक बहुत कम होता है, इसलिए धातु अशुद्धियों के लिए सब्सट्रेट में फैलना मुश्किल होता है34। धातुओं के अपेक्षाकृत बड़े परमाणु द्रव्यमान के कारण, धातुओं का आयन प्रत्यारोपण भी कठिन होता है। इसके विपरीत, हाइड्रोजन, जो सबसे हल्का तत्व है, के मामले में, MeV-श्रेणी के त्वरक का उपयोग करके आयनों (प्रोटॉन) को 4H-SiC में 10 µm से अधिक की गहराई तक प्रत्यारोपित किया जा सकता है। इसलिए, यदि प्रोटॉन प्रत्यारोपण PD को स्थिर करने को प्रभावित करता है, तो इसका उपयोग सब्सट्रेट में BPD के प्रसार को दबाने के लिए किया जा सकता है। हालाँकि, प्रोटॉन प्रत्यारोपण 4H-SiC को नुकसान पहुँचा सकता है और इसके परिणामस्वरूप डिवाइस के प्रदर्शन में कमी आ सकती है37,38,39,40।
प्रोटॉन प्रत्यारोपण के कारण उपकरण के क्षरण को दूर करने के लिए, क्षति की मरम्मत हेतु उच्च-तापमान एनीलिंग का उपयोग किया जाता है, जो उपकरण निर्माण में स्वीकर्ता आयन प्रत्यारोपण के बाद आमतौर पर उपयोग की जाने वाली एनीलिंग विधि के समान है1, 40, 41, 42। यद्यपि द्वितीयक आयन द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमेट्री (SIMS)43 ने उच्च-तापमान एनीलिंग के कारण हाइड्रोजन प्रसार की सूचना दी है, यह संभव है कि FD के निकट हाइड्रोजन परमाणुओं का घनत्व SIMS का उपयोग करके PR के पिनिंग का पता लगाने के लिए पर्याप्त न हो। इसलिए, इस अध्ययन में, हमने उच्च-तापमान एनीलिंग सहित उपकरण निर्माण प्रक्रिया से पहले 4H-SiC एपिटैक्सियल वेफर्स में प्रोटॉन प्रत्यारोपित किए। हमने प्रायोगिक उपकरण संरचनाओं के रूप में PiN डायोड का उपयोग किया और उन्हें प्रोटॉन-प्रत्यारोपित 4H-SiC एपिटैक्सियल वेफर्स पर निर्मित किया। इसके बाद हमने प्रोटॉन इंजेक्शन के कारण उपकरण प्रदर्शन के क्षरण का अध्ययन करने के लिए वोल्ट-एम्पीयर विशेषताओं का अवलोकन किया। इसके बाद, PiN डायोड पर विद्युत वोल्टेज लगाने के बाद हमने इलेक्ट्रोल्यूमिनेसेंस (EL) छवियों में 1SSF के विस्तार का अवलोकन किया। अंत में, हमने 1SSF विस्तार के दमन पर प्रोटॉन इंजेक्शन के प्रभाव की पुष्टि की।
चित्र 1 में, स्पंदित धारा से पहले प्रोटॉन प्रत्यारोपण के साथ और बिना प्रोटॉन प्रत्यारोपण वाले क्षेत्रों में कमरे के तापमान पर PiN डायोड की धारा-वोल्टेज विशेषताओं (CVCs) को दर्शाया गया है। प्रोटॉन इंजेक्शन वाले PiN डायोड, बिना प्रोटॉन इंजेक्शन वाले डायोड के समान ही रेक्टिफिकेशन विशेषताएँ दिखाते हैं, भले ही दोनों डायोड में IV विशेषताएँ समान हों। इंजेक्शन की स्थितियों के बीच अंतर दर्शाने के लिए, हमने 2.5 A/cm² (100 mA के अनुरूप) के अग्र धारा घनत्व पर वोल्टेज आवृत्ति को सांख्यिकीय प्लॉट के रूप में प्लॉट किया है, जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है। सामान्य वितरण द्वारा अनुमानित वक्र को बिंदीदार रेखा द्वारा भी दर्शाया गया है। वक्रों के शिखरों से देखा जा सकता है कि 10¹⁴ और 10¹⁶ cm⁻² के प्रोटॉन डोज़ पर ऑन-रेज़िस्टेंस थोड़ा बढ़ जाता है, जबकि 10¹² cm⁻² के प्रोटॉन डोज़ वाला PiN डायोड बिना प्रोटॉन प्रत्यारोपण वाले डायोड के लगभग समान विशेषताएँ दिखाता है। हमने प्रोटॉन प्रत्यारोपण के बाद PiN डायोडों का भी प्रत्यारोपण किया, जिनमें प्रोटॉन प्रत्यारोपण से हुई क्षति के कारण एकसमान विद्युतदीप्ति प्रदर्शित नहीं हुई, जैसा कि चित्र S1 में दर्शाया गया है और पिछले अध्ययनों37,38,39 में वर्णित है। इसलिए, एल आयनों के प्रत्यारोपण के बाद 1600 °C पर एनीलिंग करना एल एक्सेप्टर को सक्रिय करने के लिए आवश्यक प्रक्रिया है, जो प्रोटॉन प्रत्यारोपण से हुई क्षति की मरम्मत कर सकती है, जिससे प्रत्यारोपणित और गैर-प्रत्यारोपित प्रोटॉन PiN डायोडों के बीच CVC समान हो जाता है। -5 V पर रिवर्स करंट आवृत्ति भी चित्र S2 में प्रस्तुत की गई है, प्रोटॉन इंजेक्शन वाले और बिना प्रोटॉन इंजेक्शन वाले डायोडों के बीच कोई महत्वपूर्ण अंतर नहीं है।
कमरे के तापमान पर प्रोटॉन के प्रवेश के साथ और बिना प्रवेश के PiN डायोड की वोल्ट-एम्पीयर विशेषताएँ। विवरण में प्रोटॉन की मात्रा दर्शाई गई है।
इंजेक्टेड और नॉन-इंजेक्टेड प्रोटॉन वाले PiN डायोड के लिए 2.5 A/cm² की डायरेक्ट करंट पर वोल्टेज आवृत्ति। बिंदीदार रेखा सामान्य वितरण को दर्शाती है।
चित्र 3 में वोल्टेज के बाद 25 A/cm² की धारा घनत्व वाले PiN डायोड की EL छवि दिखाई गई है। स्पंदित धारा भार लगाने से पहले, डायोड के काले क्षेत्र नहीं देखे गए थे, जैसा कि चित्र 3. C2 में दिखाया गया है। हालांकि, जैसा कि चित्र 3a में दिखाया गया है, प्रोटॉन प्रत्यारोपण के बिना PiN डायोड में, विद्युत वोल्टेज लगाने के बाद हल्के किनारों वाले कई काले धारीदार क्षेत्र देखे गए। इस प्रकार के छड़ के आकार के काले क्षेत्र सबस्ट्रेट28,29 में BPD से विस्तारित 1SSF के लिए EL छवियों में देखे जाते हैं। इसके विपरीत, प्रत्यारोपित प्रोटॉन वाले PiN डायोड में कुछ विस्तारित स्टैकिंग दोष देखे गए, जैसा कि चित्र 3b-d में दिखाया गया है। एक्स-रे टोपोग्राफी का उपयोग करके, हमने प्रोटॉन इंजेक्शन के बिना PiN डायोड में संपर्कों की परिधि पर BPD से सबस्ट्रेट तक जाने वाले PRs की उपस्थिति की पुष्टि की (चित्र 4: यह छवि शीर्ष इलेक्ट्रोड को हटाए बिना ली गई है (फोटो में, इलेक्ट्रोड के नीचे PR दिखाई नहीं दे रहा है)। इसलिए, EL छवि में काला क्षेत्र सबस्ट्रेट में विस्तारित 1SSF BPD को दर्शाता है। अन्य लोड किए गए PiN डायोड की EL छवियां चित्र 1 और 2 में दिखाई गई हैं। विस्तारित काले क्षेत्रों के साथ और बिना विस्तारित काले क्षेत्रों वाले वीडियो S3-S6 (प्रोटॉन इंजेक्शन के बिना और 1014 cm-2 पर प्रत्यारोपित PiN डायोड की समय-परिवर्ती EL छवियां) भी पूरक जानकारी में दिखाए गए हैं।
25 A/cm2 पर PiN डायोड की EL छवियां 2 घंटे के विद्युत तनाव के बाद (a) प्रोटॉन प्रत्यारोपण के बिना और प्रत्यारोपित खुराक के साथ (b) 1012 cm-2, (c) 1014 cm-2 और (d) 1016 cm-2 प्रोटॉन।
हमने प्रत्येक स्थिति के लिए तीन PiN डायोड में चमकीले किनारों वाले अंधेरे क्षेत्रों की गणना करके विस्तारित 1SSF के घनत्व की गणना की, जैसा कि चित्र 5 में दिखाया गया है। विस्तारित 1SSF का घनत्व प्रोटॉन खुराक में वृद्धि के साथ घटता है, और 1012 cm-2 की खुराक पर भी, विस्तारित 1SSF का घनत्व गैर-प्रत्यारोपित PiN डायोड की तुलना में काफी कम है।
स्पंदित धारा से लोड करने के बाद प्रोटॉन प्रत्यारोपण के साथ और बिना प्रोटॉन प्रत्यारोपण के SF PiN डायोड के घनत्व में वृद्धि (प्रत्येक अवस्था में तीन लोड किए गए डायोड शामिल थे)।
कैरियर लाइफटाइम कम होने से विस्तार दमन भी प्रभावित होता है, और प्रोटॉन इंजेक्शन कैरियर लाइफटाइम को कम करता है32,36। हमने 60 µm मोटी एपिटैक्सियल परत में 1014 cm-2 के इंजेक्टेड प्रोटॉन के साथ कैरियर लाइफटाइम का अवलोकन किया है। प्रारंभिक कैरियर लाइफटाइम से, हालांकि इम्प्लांटेशन मान को लगभग 10% तक कम कर देता है, बाद में एनीलिंग इसे लगभग 50% तक बहाल कर देती है, जैसा कि चित्र S7 में दिखाया गया है। इसलिए, प्रोटॉन इम्प्लांटेशन के कारण कम हुआ कैरियर लाइफटाइम उच्च तापमान एनीलिंग द्वारा बहाल हो जाता है। हालांकि कैरियर लाइफटाइम में 50% की कमी स्टैकिंग दोषों के प्रसार को भी दबा देती है, I–V विशेषताएँ, जो आमतौर पर कैरियर लाइफटाइम पर निर्भर करती हैं, इंजेक्टेड और नॉन-इम्प्लांटेड डायोड के बीच केवल मामूली अंतर दिखाती हैं। इसलिए, हमारा मानना है कि PD एंकरिंग 1SSF विस्तार को रोकने में भूमिका निभाती है।
यद्यपि SIMS ने 1600°C पर एनीलिंग के बाद हाइड्रोजन का पता नहीं लगाया, जैसा कि पिछले अध्ययनों में बताया गया है, हमने 1SSF विस्तार के दमन पर प्रोटॉन इम्प्लांटेशन का प्रभाव देखा, जैसा कि चित्र 1 और 4 में दर्शाया गया है। इसलिए, हमारा मानना है कि PD हाइड्रोजन परमाणुओं द्वारा स्थिर है जिनकी घनत्व SIMS की पहचान सीमा (2 × 10¹⁶ cm⁻³) से कम है या इम्प्लांटेशन द्वारा प्रेरित बिंदु दोषों द्वारा स्थिर है। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि हमने सर्ज करंट लोड के बाद 1SSF के विस्तार के कारण ऑन-स्टेट प्रतिरोध में वृद्धि की पुष्टि नहीं की है। यह हमारी प्रक्रिया का उपयोग करके बनाए गए अपूर्ण ओमिक संपर्कों के कारण हो सकता है, जिसे निकट भविष्य में दूर कर दिया जाएगा।
निष्कर्षतः, हमने उपकरण निर्माण से पहले प्रोटॉन प्रत्यारोपण का उपयोग करके 4H-SiC PiN डायोड में BPD को 1SSF तक विस्तारित करने के लिए एक शमन विधि विकसित की है। प्रोटॉन प्रत्यारोपण के दौरान I–V विशेषता में गिरावट नगण्य है, विशेष रूप से 10¹² cm⁻² के प्रोटॉन डोज़ पर, लेकिन 1SSF विस्तार को दबाने का प्रभाव महत्वपूर्ण है। यद्यपि इस अध्ययन में हमने 10 µm मोटाई वाले PiN डायोड का निर्माण 10 µm की गहराई तक प्रोटॉन प्रत्यारोपण के साथ किया, फिर भी प्रत्यारोपण स्थितियों को और अनुकूलित करना और उन्हें अन्य प्रकार के 4H-SiC उपकरणों के निर्माण में लागू करना संभव है। प्रोटॉन प्रत्यारोपण के दौरान उपकरण निर्माण के लिए अतिरिक्त लागतों पर विचार किया जाना चाहिए, लेकिन वे एल्यूमीनियम आयन प्रत्यारोपण के समान होंगी, जो 4H-SiC पावर उपकरणों के लिए मुख्य निर्माण प्रक्रिया है। इस प्रकार, उपकरण प्रसंस्करण से पहले प्रोटॉन प्रत्यारोपण, बिना किसी गिरावट के 4H-SiC द्विध्रुवी पावर उपकरणों के निर्माण के लिए एक संभावित विधि है।
नमूने के रूप में 10 µm की एपिटैक्सियल परत मोटाई और 1 × 10¹⁶ cm⁻³ की डोनर डोपिंग सांद्रता वाले 4 इंच के n-प्रकार 4H-SiC वेफर का उपयोग किया गया। डिवाइस को प्रोसेस करने से पहले, प्लेट की सतह पर लगभग 10 µm की गहराई तक, कमरे के तापमान पर 0.95 MeV की त्वरण ऊर्जा के साथ H⁺ आयनों को प्लेट में प्रत्यारोपित किया गया। प्रोटॉन प्रत्यारोपण के दौरान, प्लेट पर एक मास्क का उपयोग किया गया, और प्लेट में 10¹², 10¹⁴, या 10¹⁶ cm⁻² की प्रोटॉन खुराक वाले और बिना प्रोटॉन खुराक वाले खंड थे। इसके बाद, 1020 और 1017 cm–3 के प्रोटॉन डोज़ वाले Al आयनों को पूरी वेफर पर सतह से 0–0.2 µm और 0.2–0.5 µm की गहराई तक प्रत्यारोपित किया गया, और फिर 1600°C पर एनिलिंग करके एक कार्बन कैप बनाया गया जिससे एपिटैक्सियल परत का निर्माण हुआ। इसके बाद, सबस्ट्रेट साइड पर एक बैक साइड Ni संपर्क जमा किया गया, जबकि एपिटैक्सियल परत साइड पर फोटोलिथोग्राफी और पील प्रक्रिया द्वारा निर्मित 2.0 mm × 2.0 mm कंघी के आकार का Ti/Al फ्रंट साइड संपर्क जमा किया गया। अंत में, 700°C तापमान पर संपर्क एनिलिंग की गई। वेफर को चिप्स में काटने के बाद, हमने तनाव लक्षण वर्णन और अनुप्रयोग किया।
निर्मित PiN डायोडों की I–V विशेषताओं का अवलोकन HP4155B अर्धचालक पैरामीटर विश्लेषक का उपयोग करके किया गया। विद्युत तनाव के रूप में, 212.5 A/cm² का 10 मिलीसेकंड का स्पंदित प्रवाह 2 घंटे तक 10 पल्स/सेकंड की आवृत्ति पर प्रवाहित किया गया। जब हमने कम प्रवाह घनत्व या आवृत्ति का चयन किया, तो प्रोटॉन इंजेक्शन के बिना भी PiN डायोड में 1SSF विस्तार नहीं देखा गया। लगाए गए विद्युत वोल्टेज के दौरान, PiN डायोड का तापमान बिना किसी कृत्रिम तापन के लगभग 70°C था, जैसा कि चित्र S8 में दिखाया गया है। विद्युत तनाव से पहले और बाद में 25 A/cm² के प्रवाह घनत्व पर विद्युत परासरण छवियों को प्राप्त किया गया। ऐची सिंक्रोट्रॉन विकिरण केंद्र में एकवर्णी एक्स-रे किरण (λ = 0.15 nm) का उपयोग करके सिंक्रोट्रॉन परावर्तन ग्रेजिंग इंसिडेंस एक्स-रे स्थलाकृति में, BL8S2 में ag वेक्टर -1-128 या 11-28 है (विवरण के लिए संदर्भ 44 देखें)।
चित्र 2 में, PiN डायोड की प्रत्येक अवस्था के CVC के अनुसार, 2.5 A/cm² के अग्र धारा घनत्व पर वोल्टेज आवृत्ति को 0.5 V के अंतराल पर निकाला गया है। तनाव Vave के माध्य मान और तनाव के मानक विचलन σ से, हम निम्नलिखित समीकरण का उपयोग करके चित्र 2 में बिंदीदार रेखा के रूप में एक सामान्य वितरण वक्र बनाते हैं:
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पोस्ट करने का समय: 6 नवंबर 2022
