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Il 4H-SiC è stato commercializzato come materiale per dispositivi semiconduttori di potenza. Tuttavia, l'affidabilità a lungo termine dei dispositivi in 4H-SiC rappresenta un ostacolo alla loro ampia applicazione, e il problema di affidabilità più importante di questi dispositivi è la degradazione bipolare. Tale degradazione è causata dalla propagazione di un singolo difetto di impilamento di Shockley (1SSF) di dislocazioni del piano basale nei cristalli di 4H-SiC. In questo lavoro, proponiamo un metodo per sopprimere l'espansione del 1SSF mediante l'impianto di protoni su wafer epitassiali di 4H-SiC. I diodi PiN fabbricati su wafer con impianto di protoni hanno mostrato le stesse caratteristiche corrente-tensione dei diodi senza impianto di protoni. Al contrario, l'espansione del 1SSF viene efficacemente soppressa nel diodo PiN con impianto di protoni. Pertanto, l'impianto di protoni in wafer epitassiali di 4H-SiC rappresenta un metodo efficace per sopprimere la degradazione bipolare dei dispositivi semiconduttori di potenza in 4H-SiC, mantenendo al contempo le prestazioni del dispositivo. Questo risultato contribuisce allo sviluppo di dispositivi 4H-SiC altamente affidabili.
Il carburo di silicio (SiC) è ampiamente riconosciuto come materiale semiconduttore per dispositivi ad alta potenza e alta frequenza in grado di operare in ambienti difficili1. Esistono molti politipi di SiC, tra cui il 4H-SiC, che presenta eccellenti proprietà fisiche per i dispositivi semiconduttori, come l'elevata mobilità degli elettroni e il forte campo elettrico di rottura2. I wafer di 4H-SiC con un diametro di 6 pollici sono attualmente commercializzati e utilizzati per la produzione di massa di dispositivi semiconduttori di potenza3. I sistemi di trazione per veicoli e treni elettrici sono stati realizzati utilizzando dispositivi semiconduttori di potenza in 4H-SiC4.5. Tuttavia, i dispositivi in 4H-SiC soffrono ancora di problemi di affidabilità a lungo termine, come la rottura dielettrica o l'affidabilità in caso di cortocircuito6,7, tra cui uno dei problemi di affidabilità più importanti è la degradazione bipolare2,8,9,10,11. Questa degradazione bipolare è stata scoperta oltre 20 anni fa ed è da tempo un problema nella fabbricazione di dispositivi in SiC.
La degradazione bipolare è causata da un singolo difetto di impilamento Shockley (1SSF) nei cristalli di 4H-SiC con dislocazioni del piano basale (BPD) che si propagano tramite scorrimento di dislocazioni potenziato dalla ricombinazione (REDG)12,13,14,15,16,17,18,19. Pertanto, se l'espansione delle BPD viene soppressa a 1SSF, è possibile fabbricare dispositivi di potenza in 4H-SiC senza degradazione bipolare. Sono stati riportati diversi metodi per sopprimere la propagazione delle BPD, come la trasformazione delle BPD in dislocazioni a bordo filettato (TED) 20,21,22,23,24. Nei wafer epitassiali di SiC più recenti, le BPD sono presenti principalmente nel substrato e non nello strato epitassiale a causa della conversione delle BPD in TED durante la fase iniziale della crescita epitassiale. Pertanto, il problema rimanente della degradazione bipolare è la distribuzione delle BPD nel substrato 25,26,27. L'inserimento di uno "strato di rinforzo composito" tra lo strato di deriva e il substrato è stato proposto come metodo efficace per sopprimere l'espansione BPD nel substrato28, 29, 30, 31. Questo strato aumenta la probabilità di ricombinazione delle coppie elettrone-lacuna nello strato epitassiale e nel substrato di SiC. Riducendo il numero di coppie elettrone-lacuna, si riduce la forza motrice del REDG verso il BPD nel substrato, quindi lo strato di rinforzo composito può sopprimere la degradazione bipolare. Va notato che l'inserimento di uno strato comporta costi aggiuntivi nella produzione dei wafer e, senza l'inserimento di uno strato, è difficile ridurre il numero di coppie elettrone-lacuna controllando solo la durata di vita dei portatori. Pertanto, rimane una forte necessità di sviluppare altri metodi di soppressione per raggiungere un migliore equilibrio tra costo di produzione del dispositivo e resa.
Poiché l'estensione del BPD a 1SSF richiede il movimento delle dislocazioni parziali (PD), il blocco delle PD rappresenta un approccio promettente per inibire la degradazione bipolare. Sebbene sia stato riportato il blocco delle PD da parte di impurità metalliche, le FPD nei substrati di 4H-SiC si trovano a una distanza superiore a 5 μm dalla superficie dello strato epitassiale. Inoltre, poiché il coefficiente di diffusione di qualsiasi metallo nel SiC è molto piccolo, è difficile per le impurità metalliche diffondersi nel substrato34. A causa della massa atomica relativamente elevata dei metalli, anche l'impiantazione ionica dei metalli è difficoltosa. Al contrario, nel caso dell'idrogeno, l'elemento più leggero, gli ioni (protoni) possono essere impiantati nel 4H-SiC a una profondità superiore a 10 µm utilizzando un acceleratore di classe MeV. Pertanto, se l'impiantazione di protoni influenza il blocco delle PD, allora può essere utilizzata per sopprimere la propagazione del BPD nel substrato. Tuttavia, l'impianto di protoni può danneggiare il 4H-SiC e comportare una riduzione delle prestazioni del dispositivo37,38,39,40.
Per superare il degrado del dispositivo dovuto all'impianto di protoni, si utilizza la ricottura ad alta temperatura per riparare il danno, in modo simile al metodo di ricottura comunemente utilizzato dopo l'impianto di ioni accettori nella lavorazione dei dispositivi1, 40, 41, 42. Sebbene la spettrometria di massa a ioni secondari (SIMS)43 abbia riportato la diffusione di idrogeno dovuta alla ricottura ad alta temperatura, è possibile che la sola densità di atomi di idrogeno vicino al FD non sia sufficiente per rilevare il pinning del PR utilizzando SIMS. Pertanto, in questo studio, abbiamo impiantato protoni in wafer epitassiali di 4H-SiC prima del processo di fabbricazione del dispositivo, inclusa la ricottura ad alta temperatura. Abbiamo utilizzato diodi PiN come strutture di dispositivo sperimentali e li abbiamo fabbricati su wafer epitassiali di 4H-SiC impiantati con protoni. Abbiamo quindi osservato le caratteristiche volt-ampere per studiare il degrado delle prestazioni del dispositivo dovuto all'iniezione di protoni. Successivamente, abbiamo osservato l'espansione di 1SSF nelle immagini di elettroluminescenza (EL) dopo aver applicato una tensione elettrica al diodo PiN. Infine, abbiamo confermato l'effetto dell'iniezione di protoni sulla soppressione dell'espansione di 1SSF.
La Figura 1 mostra le caratteristiche corrente-tensione (CVC) dei diodi PiN a temperatura ambiente nelle regioni con e senza impianto di protoni prima della corrente pulsata. I diodi PiN con iniezione di protoni mostrano caratteristiche di rettificazione simili a quelle dei diodi senza iniezione di protoni, anche se le caratteristiche I-V sono condivise tra i diodi. Per indicare la differenza tra le condizioni di iniezione, abbiamo rappresentato la frequenza della tensione a una densità di corrente diretta di 2,5 A/cm² (corrispondente a 100 mA) come grafico statistico, come mostrato in Figura 2. La curva approssimata da una distribuzione normale è rappresentata da una linea tratteggiata. Come si può osservare dai picchi delle curve, la resistenza di conduzione aumenta leggermente a dosi di protoni di 10¹⁴ e 10¹⁶ cm⁻², mentre il diodo PiN con una dose di protoni di 10¹² cm⁻² mostra caratteristiche quasi identiche a quelle senza impianto di protoni. Abbiamo anche eseguito l'impianto di protoni dopo la fabbricazione di diodi PiN che non mostravano un'elettroluminescenza uniforme a causa del danno causato dall'impianto di protoni, come mostrato nella Figura S1, come descritto in studi precedenti37,38,39. Pertanto, la ricottura a 1600 °C dopo l'impianto di ioni Al è un processo necessario per fabbricare dispositivi per attivare l'accettore Al, che può riparare il danno causato dall'impianto di protoni, il che rende i CVC uguali tra i diodi PiN impiantati e non impiantati. La frequenza della corrente inversa a -5 V è presentata anche nella Figura S2, non c'è alcuna differenza significativa tra i diodi con e senza iniezione di protoni.
Caratteristiche voltammetriche dei diodi PiN con e senza protoni iniettati a temperatura ambiente. La legenda indica la dose di protoni.
Frequenza della tensione a corrente continua di 2,5 A/cm² per diodi PiN con protoni iniettati e non iniettati. La linea tratteggiata corrisponde alla distribuzione normale.
La figura 3 mostra un'immagine EL di un diodo PiN con una densità di corrente di 25 A/cm2 dopo l'applicazione di una tensione. Prima dell'applicazione del carico di corrente pulsata, le regioni scure del diodo non erano visibili, come mostrato nella Figura 3. C2. Tuttavia, come mostrato nella figura 3a, in un diodo PiN senza impianto di protoni, sono state osservate diverse regioni scure a strisce con bordi chiari dopo l'applicazione di una tensione elettrica. Tali regioni scure a forma di bastoncino sono osservate nelle immagini EL per 1SSF che si estendono dal BPD nel substrato28,29. Invece, sono stati osservati alcuni difetti di impilamento estesi nei diodi PiN con protoni impiantati, come mostrato nelle figure 3b-d. Utilizzando la topografia a raggi X, abbiamo confermato la presenza di PR che possono spostarsi dal BPD al substrato alla periferia dei contatti nel diodo PiN senza iniezione di protoni (Fig. 4: questa immagine senza rimuovere l'elettrodo superiore (fotografato, il PR sotto gli elettrodi non è visibile). Pertanto, l'area scura nell'immagine EL corrisponde a un BPD 1SSF esteso nel substrato. Le immagini EL di altri diodi PiN caricati sono mostrate nelle Figure 1 e 2. I video S3-S6 con e senza aree scure estese (immagini EL variabili nel tempo di diodi PiN senza iniezione di protoni e impiantati a 1014 cm-2) sono mostrati anche nelle Informazioni supplementari.
Immagini EL di diodi PiN a 25 A/cm2 dopo 2 ore di stress elettrico (a) senza impianto di protoni e con dosi impiantate di (b) 1012 cm-2, (c) 1014 cm-2 e (d) 1016 cm-2 protoni.
Abbiamo calcolato la densità di 1SSF espanso calcolando le aree scure con bordi luminosi in tre diodi PiN per ciascuna condizione, come mostrato in Figura 5. La densità di 1SSF espanso diminuisce con l'aumentare della dose di protoni e, anche a una dose di 1012 cm-2, la densità di 1SSF espanso è significativamente inferiore rispetto a quella di un diodo PiN non impiantato.
Aumento della densità dei diodi SF PiN con e senza impiantazione di protoni dopo il caricamento con una corrente pulsata (ogni stato comprendeva tre diodi caricati).
L'accorciamento della durata di vita dei portatori influisce anche sulla soppressione dell'espansione e l'iniezione di protoni riduce la durata di vita dei portatori32,36. Abbiamo osservato durate di vita dei portatori in uno strato epitassiale di 60 µm di spessore con protoni iniettati pari a 1014 cm-2. Dalla durata di vita iniziale dei portatori, sebbene l'impianto riduca il valore a ~10%, la successiva ricottura lo ripristina a ~50%, come mostrato nella Fig. S7. Pertanto, la durata di vita dei portatori, ridotta a causa dell'impianto di protoni, viene ripristinata dalla ricottura ad alta temperatura. Sebbene una riduzione del 50% della durata di vita dei portatori sopprima anche la propagazione dei difetti di impilamento, le caratteristiche I-V, che sono tipicamente dipendenti dalla durata di vita dei portatori, mostrano solo piccole differenze tra i diodi iniettati e non impiantati. Pertanto, riteniamo che l'ancoraggio PD svolga un ruolo nell'inibire l'espansione 1SSF.
Sebbene la SIMS non abbia rilevato idrogeno dopo la ricottura a 1600 °C, come riportato in studi precedenti, abbiamo osservato l'effetto dell'impianto di protoni sulla soppressione dell'espansione 1SSF, come mostrato nelle Figure 1 e 4. 3, 4. Pertanto, riteniamo che il PD sia ancorato da atomi di idrogeno con densità inferiore al limite di rilevamento della SIMS (2 × 10¹⁶ cm⁻³) o da difetti puntiformi indotti dall'impianto. Va notato che non abbiamo confermato un aumento della resistenza di conduzione dovuto all'allungamento di 1SSF dopo un carico di corrente di picco. Ciò potrebbe essere dovuto a contatti ohmici imperfetti realizzati con il nostro processo, che saranno eliminati nel prossimo futuro.
In conclusione, abbiamo sviluppato un metodo di spegnimento per estendere il BPD al 1SSF nei diodi PiN in 4H-SiC utilizzando l'impiantazione di protoni prima della fabbricazione del dispositivo. Il deterioramento della caratteristica I-V durante l'impiantazione di protoni è insignificante, soprattutto a una dose di protoni di 10¹² cm⁻², ma l'effetto di soppressione dell'espansione del 1SSF è significativo. Sebbene in questo studio abbiamo fabbricato diodi PiN di 10 µm di spessore con impiantazione di protoni a una profondità di 10 µm, è ancora possibile ottimizzare ulteriormente le condizioni di impiantazione e applicarle alla fabbricazione di altri tipi di dispositivi in 4H-SiC. Occorre considerare i costi aggiuntivi per la fabbricazione del dispositivo durante l'impiantazione di protoni, ma saranno simili a quelli per l'impiantazione di ioni di alluminio, che è il principale processo di fabbricazione per i dispositivi di potenza in 4H-SiC. Pertanto, l'impiantazione di protoni prima della lavorazione del dispositivo è un metodo potenziale per fabbricare dispositivi di potenza bipolari in 4H-SiC senza degenerazione.
Come campione è stato utilizzato un wafer di 4H-SiC di tipo n da 4 pollici con uno strato epitassiale di spessore pari a 10 µm e una concentrazione di drogaggio donatore di 1 × 10¹⁶ cm⁻³. Prima della lavorazione del dispositivo, ioni H⁺ sono stati impiantati nella piastra con un'energia di accelerazione di 0,95 MeV a temperatura ambiente fino a una profondità di circa 10 μm con un angolo normale alla superficie della piastra. Durante l'impiantazione di protoni, è stata utilizzata una maschera sulla piastra, e la piastra presentava sezioni senza e con una dose di protoni di 10¹², 10¹⁴ o 10¹⁶ cm⁻². Successivamente, ioni Al con dosi di protoni di 10²⁰ e 10¹⁷ cm⁻³ sono stati impiantati sull'intero wafer fino a una profondità di 0–0,2 µm e 0,2–0,5 µm dalla superficie, seguiti da ricottura a 1600 °C per formare un cappuccio di carbonio per creare lo strato ap. -tipo. Successivamente, un contatto posteriore in Ni è stato depositato sul lato del substrato, mentre un contatto anteriore in Ti/Al a forma di pettine di 2,0 mm × 2,0 mm, formato mediante fotolitografia e un processo di peeling, è stato depositato sul lato dello strato epitassiale. Infine, è stata eseguita la ricottura del contatto a una temperatura di 700 °C. Dopo aver tagliato il wafer in chip, abbiamo eseguito la caratterizzazione e l'applicazione delle sollecitazioni.
Le caratteristiche I-V dei diodi PiN fabbricati sono state osservate utilizzando un analizzatore di parametri per semiconduttori HP4155B. Come stress elettrico, è stata introdotta una corrente pulsata di 10 millisecondi pari a 212,5 A/cm2 per 2 ore a una frequenza di 10 impulsi/sec. Quando abbiamo scelto una densità di corrente o una frequenza inferiore, non abbiamo osservato l'espansione 1SSF nemmeno in un diodo PiN senza iniezione di protoni. Durante la tensione elettrica applicata, la temperatura del diodo PiN è di circa 70 °C senza riscaldamento intenzionale, come mostrato nella Figura S8. Le immagini elettroluminescenti sono state ottenute prima e dopo lo stress elettrico a una densità di corrente di 25 A/cm2. Topografia a raggi X a incidenza radente con riflessione di sincrotrone utilizzando un fascio di raggi X monocromatico (λ = 0,15 nm) presso l'Aichi Synchrotron Radiation Center, il vettore ag in BL8S2 è -1-128 o 11-28 (vedere il rif. 44 per i dettagli).
La frequenza di tensione a una densità di corrente diretta di 2,5 A/cm2 è estratta con un intervallo di 0,5 V nella figura 2 in base alla CVC di ciascuno stato del diodo PiN. Dal valore medio della sollecitazione Vave e dalla deviazione standard σ della sollecitazione, tracciamo una curva di distribuzione normale sotto forma di linea tratteggiata nella Figura 2 utilizzando la seguente equazione:
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Song, H. e Sudarshan, TS Conversione della dislocazione del piano basale vicino all'interfaccia strato epitassiale/substrato nella crescita epitassiale di 4H–SiC fuori asse di 4°. Song, H. e Sudarshan, TS Conversione della dislocazione del piano basale vicino all'interfaccia strato epitassiale/substrato nella crescita epitassiale di 4H–SiC fuori asse di 4°.Song, H. e Sudarshan, TS Trasformazione delle dislocazioni del piano basale vicino all'interfaccia strato epitassiale/substrato durante la crescita epitassiale fuori asse del 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错转换. Song, H. & Sudarshan, TS 在4° 离轴4H-SiC Song, H. e Sudarshan, TSTransizione di dislocazione planare del substrato in prossimità del confine tra strato epitassiale e substrato durante la crescita epitassiale di 4H-SiC al di fuori dell'asse 4°.J. Crescita dei cristalli 371, 94–101 (2013).
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Data di pubblicazione: 6 novembre 2022
