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O 4H-SiC foi comercializado como material para dispositivos semicondutores de potência. No entanto, a confiabilidade a longo prazo desses dispositivos representa um obstáculo à sua ampla aplicação, sendo o problema de confiabilidade mais importante a degradação bipolar. Essa degradação é causada pela propagação de uma única falha de empilhamento de Shockley (1SSF) em deslocamentos do plano basal dos cristais de 4H-SiC. Neste trabalho, propomos um método para suprimir a expansão da 1SSF por meio da implantação de prótons em wafers epitaxiais de 4H-SiC. Diodos PiN fabricados em wafers com implantação de prótons apresentaram as mesmas características de corrente-tensão que os diodos sem implantação de prótons. Em contrapartida, a expansão da 1SSF é efetivamente suprimida no diodo PiN com implantação de prótons. Assim, a implantação de prótons em wafers epitaxiais de 4H-SiC é um método eficaz para suprimir a degradação bipolar de dispositivos semicondutores de potência de 4H-SiC, mantendo o desempenho do dispositivo. Esse resultado contribui para o desenvolvimento de dispositivos de 4H-SiC altamente confiáveis.
O carbeto de silício (SiC) é amplamente reconhecido como um material semicondutor para dispositivos semicondutores de alta potência e alta frequência, capazes de operar em ambientes hostis¹. Existem muitos politipos de SiC, entre os quais o 4H-SiC apresenta excelentes propriedades físicas para dispositivos semicondutores, como alta mobilidade eletrônica e forte campo elétrico de ruptura². Wafer de 4H-SiC com diâmetro de 6 polegadas são atualmente comercializados e utilizados na produção em massa de dispositivos semicondutores de potência³. Sistemas de tração para veículos e trens elétricos foram fabricados utilizando dispositivos semicondutores de potência de 4H-SiC⁴,⁵. No entanto, os dispositivos de 4H-SiC ainda sofrem com problemas de confiabilidade a longo prazo, como ruptura dielétrica ou confiabilidade em curto-circuito⁶,⁷, sendo um dos problemas de confiabilidade mais importantes a degradação bipolar²,⁸,⁹,¹⁰,¹¹. Essa degradação bipolar foi descoberta há mais de 20 anos e tem sido um problema recorrente na fabricação de dispositivos de SiC.
A degradação bipolar é causada por um único defeito de empilhamento de Shockley (1SSF) em cristais de 4H-SiC com deslocamentos no plano basal (BPDs) que se propagam por deslizamento de deslocamento aprimorado por recombinação (REDG)12,13,14,15,16,17,18,19. Portanto, se a expansão de BPDs for suprimida para 1SSF, dispositivos de potência de 4H-SiC podem ser fabricados sem degradação bipolar. Vários métodos foram relatados para suprimir a propagação de BPDs, como a transformação de BPD em deslocamento de borda de rosca (TED)20,21,22,23,24. Nos wafers epitaxiais de SiC mais recentes, o BPD está presente principalmente no substrato e não na camada epitaxial devido à conversão de BPD em TED durante o estágio inicial do crescimento epitaxial. Portanto, o problema remanescente da degradação bipolar é a distribuição de BPD no substrato25,26,27. A inserção de uma “camada de reforço composta” entre a camada de deriva e o substrato tem sido proposta como um método eficaz para suprimir a expansão de defeitos bipolares (BPD) no substrato28, 29, 30, 31. Essa camada aumenta a probabilidade de recombinação de pares elétron-buraco na camada epitaxial e no substrato de SiC. A redução do número de pares elétron-buraco diminui a força motriz da geração de defeitos bipolares (REDG) para a formação de BPD no substrato, de modo que a camada de reforço composta pode suprimir a degradação bipolar. Deve-se notar que a inserção de uma camada acarreta custos adicionais na produção de wafers e, sem a inserção de uma camada, é difícil reduzir o número de pares elétron-buraco controlando apenas o tempo de vida dos portadores. Portanto, ainda há uma grande necessidade de desenvolver outros métodos de supressão para alcançar um melhor equilíbrio entre o custo de fabricação do dispositivo e o rendimento.
Como a extensão do defeito bipolar (BPD) para o estado fundamental unidimensional (1SSF) requer o movimento de deslocamentos parciais (PDs), o aprisionamento desses deslocamentos é uma abordagem promissora para inibir a degradação bipolar. Embora o aprisionamento de PDs por impurezas metálicas já tenha sido relatado, os defeitos parciais de fase (FPDs) em substratos de 4H-SiC estão localizados a uma distância superior a 5 μm da superfície da camada epitaxial. Além disso, como o coeficiente de difusão de qualquer metal em SiC é muito pequeno, é difícil para as impurezas metálicas se difundirem no substrato. Devido à massa atômica relativamente grande dos metais, a implantação iônica de metais também é difícil. Em contraste, no caso do hidrogênio, o elemento mais leve, íons (prótons) podem ser implantados em 4H-SiC a uma profundidade superior a 10 µm usando um acelerador da classe MeV. Portanto, se a implantação de prótons afetar o aprisionamento de PDs, ela poderá ser usada para suprimir a propagação do BPD no substrato. Entretanto, a implantação de prótons pode danificar o 4H-SiC e resultar em desempenho reduzido do dispositivo37,38,39,40.
Para superar a degradação do dispositivo devido à implantação de prótons, utiliza-se recozimento em alta temperatura para reparar os danos, similar ao método de recozimento comumente usado após a implantação de íons aceptores no processamento de dispositivos1, 40, 41, 42. Embora a espectrometria de massa de íons secundários (SIMS)43 tenha relatado difusão de hidrogênio devido ao recozimento em alta temperatura, é possível que apenas a densidade de átomos de hidrogênio próximos à FD não seja suficiente para detectar o aprisionamento da PR usando SIMS. Portanto, neste estudo, implantamos prótons em wafers epitaxiais de 4H-SiC antes do processo de fabricação do dispositivo, incluindo o recozimento em alta temperatura. Utilizamos diodos PiN como estruturas de dispositivo experimentais e os fabricamos em wafers epitaxiais de 4H-SiC implantados com prótons. Em seguida, observamos as características volt-ampère para estudar a degradação do desempenho do dispositivo devido à injeção de prótons. Em seguida, observamos a expansão do 1SSF em imagens de eletroluminescência (EL) após a aplicação de uma tensão elétrica ao diodo PiN. Finalmente, confirmamos o efeito da injeção de prótons na supressão da expansão do 1SSF.
A Figura 1 mostra as características corrente-tensão (CVCs) de diodos PiN à temperatura ambiente em regiões com e sem implantação de prótons antes da aplicação de corrente pulsada. Os diodos PiN com injeção de prótons apresentam características de retificação semelhantes aos diodos sem injeção de prótons, embora as características IV sejam as mesmas para ambos os diodos. Para indicar a diferença entre as condições de injeção, plotamos a tensão em função da frequência com uma densidade de corrente direta de 2,5 A/cm² (correspondente a 100 mA) em um gráfico estatístico, como mostrado na Figura 2. A curva aproximada por uma distribuição normal também é representada por uma linha tracejada. Como pode ser observado pelos picos das curvas, a resistência de condução aumenta ligeiramente com doses de prótons de 10¹⁴ e 10¹⁶ cm⁻², enquanto o diodo PiN com dose de prótons de 10¹² cm⁻² apresenta características quase idênticas às do diodo sem implantação de prótons. Também realizamos implantação de prótons após a fabricação de diodos PiN que não apresentaram eletroluminescência uniforme devido a danos causados pela implantação de prótons, conforme mostrado na Figura S1 e descrito em estudos anteriores37,38,39. Portanto, o recozimento a 1600 °C após a implantação de íons de Al é um processo necessário para a fabricação de dispositivos que ativam o aceptor de Al, o qual pode reparar os danos causados pela implantação de prótons, tornando as curvas de resposta à corrente (CVCs) iguais entre os diodos PiN implantados e não implantados com prótons. A frequência da corrente reversa a -5 V também é apresentada na Figura S2; não há diferença significativa entre os diodos com e sem injeção de prótons.
Características volt-ampère de diodos PiN com e sem injeção de prótons à temperatura ambiente. A legenda indica a dose de prótons.
Frequência de tensão em corrente contínua de 2,5 A/cm² para diodos PiN com prótons injetados e não injetados. A linha pontilhada corresponde à distribuição normal.
A Figura 3 mostra uma imagem de eletroluminescência (EL) de um diodo PiN com densidade de corrente de 25 A/cm² após a aplicação de tensão. Antes da aplicação da corrente pulsada, as regiões escuras do diodo não foram observadas, como mostrado na Figura 3.C2. No entanto, como mostrado na Figura 3a, em um diodo PiN sem implantação de prótons, várias regiões escuras em forma de listras com bordas claras foram observadas após a aplicação de uma tensão elétrica. Essas regiões escuras em forma de bastão são observadas em imagens de EL para defeitos de empilhamento de um único estado (1SSF) que se estendem a partir do defeito de empilhamento de banda proibida (BPD) no substrato.28,29 Em vez disso, algumas falhas de empilhamento extensas foram observadas em diodos PiN com prótons implantados, como mostrado nas Figuras 3b–d. Utilizando topografia de raios X, confirmamos a presença de fotorresistores (PRs) que podem se mover do ponto de contato de núcleo (BPD) para o substrato na periferia dos contatos no diodo PiN sem injeção de prótons (Fig. 4: esta imagem sem a remoção do eletrodo superior (fotografado, o PR sob os eletrodos não é visível). Portanto, a área escura na imagem de eletroluminescência (EL) corresponde a um BPD de 1 estado sólido (1SSF) estendido no substrato. Imagens de EL de outros diodos PiN carregados são mostradas nas Figuras 1 e 2. Os vídeos S3-S6 com e sem áreas escuras estendidas (imagens de EL variáveis no tempo de diodos PiN sem injeção de prótons e implantados a 10¹⁴ cm⁻²) também são mostrados nas Informações Suplementares.
Imagens EL de diodos PiN a 25 A/cm2 após 2 horas de estresse elétrico (a) sem implantação de prótons e com doses implantadas de (b) 1012 cm-2, (c) 1014 cm-2 e (d) 1016 cm-2 prótons.
Calculamos a densidade de 1SSF expandido através da análise das áreas escuras com bordas brilhantes em três diodos PiN para cada condição, conforme mostrado na Figura 5. A densidade de 1SSF expandido diminui com o aumento da dose de prótons e, mesmo com uma dose de 10¹² cm⁻², a densidade de 1SSF expandido é significativamente menor do que em um diodo PiN não implantado.
Aumento da densidade de diodos SF PiN com e sem implantação de prótons após carregamento com corrente pulsada (cada estado incluía três diodos carregados).
A redução da vida útil dos portadores também afeta a supressão da expansão, e a injeção de prótons reduz a vida útil dos portadores32,36. Observamos a vida útil dos portadores em uma camada epitaxial de 60 µm de espessura com 1014 prótons injetados cm-2. A partir da vida útil inicial dos portadores, embora a implantação reduza o valor para ~10%, o recozimento subsequente a restaura para ~50%, como mostrado na Fig. S7. Portanto, a vida útil dos portadores, reduzida devido à implantação de prótons, é restaurada pelo recozimento em alta temperatura. Embora uma redução de 50% na vida útil dos portadores também suprima a propagação de defeitos de empilhamento, as características I-V, que são tipicamente dependentes da vida útil dos portadores, mostram apenas pequenas diferenças entre diodos injetados e não implantados. Portanto, acreditamos que a ancoragem dos defeitos de empilhamento desempenha um papel na inibição da expansão de defeitos de empilhamento de primeira ordem (1SSF).
Embora a SIMS não tenha detectado hidrogênio após o recozimento a 1600 °C, conforme relatado em estudos anteriores, observamos o efeito da implantação de prótons na supressão da expansão da 1SSF, como mostrado nas Figuras 1 e 4. Portanto, acreditamos que o PD esteja ancorado por átomos de hidrogênio com densidade abaixo do limite de detecção da SIMS (2 × 10¹⁶ cm⁻³) ou por defeitos pontuais induzidos pela implantação. Deve-se notar que não confirmamos um aumento na resistência no estado ligado devido ao alongamento da 1SSF após a aplicação de uma corrente de pico. Isso pode ser devido a contatos ôhmicos imperfeitos produzidos pelo nosso processo, os quais serão eliminados em breve.
Em conclusão, desenvolvemos um método de supressão para estender a transição de fase bipolar (BPD) para um estado de estado estacionário (1SSF) em diodos PiN de 4H-SiC utilizando implantação de prótons antes da fabricação do dispositivo. A deterioração da característica I-V durante a implantação de prótons é insignificante, especialmente com uma dose de prótons de 10¹² cm⁻², mas o efeito de supressão da expansão do 1SSF é significativo. Embora neste estudo tenhamos fabricado diodos PiN com 10 µm de espessura com implantação de prótons a uma profundidade de 10 µm, ainda é possível otimizar as condições de implantação e aplicá-las à fabricação de outros tipos de dispositivos de 4H-SiC. Os custos adicionais para a fabricação do dispositivo durante a implantação de prótons devem ser considerados, mas serão semelhantes aos da implantação de íons de alumínio, que é o principal processo de fabricação de dispositivos de potência de 4H-SiC. Assim, a implantação de prótons antes do processamento do dispositivo é um método promissor para a fabricação de dispositivos de potência bipolares de 4H-SiC sem degeneração.
Uma pastilha de SiC 4H tipo n de 4 polegadas com uma espessura de camada epitaxial de 10 µm e uma concentração de dopagem de doadores de 1 × 10¹⁶ cm⁻³ foi utilizada como amostra. Antes do processamento do dispositivo, íons H⁺ foram implantados na pastilha com uma energia de aceleração de 0,95 MeV à temperatura ambiente, a uma profundidade de cerca de 10 µm, perpendicularmente à superfície da pastilha. Durante a implantação de prótons, foi utilizada uma máscara na pastilha, que possuía seções sem e com doses de prótons de 10¹², 10¹⁴ ou 10¹⁶ cm⁻². Em seguida, íons de Al com doses de prótons de 10²⁰ e 10¹⁷ cm⁻³ foram implantados em toda a pastilha a uma profundidade de 0–0,2 µm e 0,2–0,5 µm da superfície, respectivamente, seguidos por recozimento a 1600 °C para formar uma camada de cobertura de carbono para a formação da camada ap. -tipo. Posteriormente, um contato de Ni foi depositado na parte traseira do substrato, enquanto um contato frontal de Ti/Al em formato de pente, com dimensões de 2,0 mm × 2,0 mm, formado por fotolitografia e processo de descolamento, foi depositado na camada epitaxial. Finalmente, o recozimento do contato foi realizado a uma temperatura de 700 °C. Após o corte do wafer em chips, realizamos a caracterização e aplicação de tensões.
As características I-V dos diodos PiN fabricados foram observadas usando um analisador de parâmetros de semicondutores HP4155B. Como estresse elétrico, uma corrente pulsada de 212,5 A/cm² com duração de 10 milissegundos foi aplicada durante 2 horas a uma frequência de 10 pulsos/s. Ao escolhermos uma densidade de corrente ou frequência menor, não observamos expansão de 1SSF, mesmo em um diodo PiN sem injeção de prótons. Durante a aplicação da tensão elétrica, a temperatura do diodo PiN permaneceu em torno de 70 °C sem aquecimento intencional, conforme mostrado na Figura S8. Imagens de eletroluminescência foram obtidas antes e depois do estresse elétrico com uma densidade de corrente de 25 A/cm². A topografia de raios X de incidência rasante por reflexão de síncrotron foi realizada utilizando um feixe de raios X monocromático (λ = 0,15 nm) no Centro de Radiação Síncrotron de Aichi. O vetor ag na linha de luz BL8S2 é -1-128 ou 11-28 (veja a referência 44 para detalhes). ).
A frequência da tensão a uma densidade de corrente direta de 2,5 A/cm² é extraída com um intervalo de 0,5 V na figura 2, de acordo com a curva característica de tensão-tensão (CVC) de cada estado do diodo PiN. A partir do valor médio da tensão Vave e do desvio padrão σ da tensão, traçamos uma curva de distribuição normal na forma de uma linha tracejada na Figura 2, utilizando a seguinte equação:
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Data da publicação: 06/11/2022
