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4H-SIC se ha comercializado como material para dispositivos de semiconductores de potencia. Sin embargo, la confiabilidad a largo plazo de los dispositivos 4H-SIC es un obstáculo para su amplia aplicación, y el problema de confiabilidad más importante de los dispositivos 4H-SIC es la degradación bipolar. Esta degradación es causada por una sola propagación de falla de apilamiento de Shockley (1SSF) de las dislocaciones del plano basal en cristales 4H-SIC. Aquí, proponemos un método para suprimir la expansión de 1SSF implantando protones en obleas epitaxiales 4H-SIC. Los diodos PIN fabricados en obleas con implantación de protones mostraron las mismas características de voltaje de corriente que los diodos sin implantación de protones. En contraste, la expansión de 1SSF se suprime de manera efectiva en el diodo PIN implantado por protones. Por lo tanto, la implantación de protones en obleas epitaxiales 4H-SIC es un método efectivo para suprimir la degradación bipolar de los dispositivos semiconductores de potencia 4H-SIC mientras se mantiene el rendimiento del dispositivo. Este resultado contribuye al desarrollo de dispositivos 4H-SIC altamente confiables.
El carburo de silicio (SIC) es ampliamente reconocido como un material semiconductor para dispositivos semiconductores de alta potencia y alta frecuencia que pueden operar en entornos hostiles1. Hay muchos politis SIC, entre los cuales 4H-SIC tiene excelentes propiedades físicas del dispositivo de semiconductores, como la alta movilidad de electrones y el fuerte campo eléctrico de descomposición2. Las obleas 4H-SIC con un diámetro de 6 pulgadas se comercializan y se utilizan actualmente para la producción en masa de dispositivos semiconductores de potencia3. Los sistemas de tracción para vehículos y trenes eléctricos se fabricaron utilizando dispositivos semiconductores de potencia 4H44.5. Sin embargo, los dispositivos 4H-SIC todavía sufren problemas de confiabilidad a largo plazo, como la descomposición dieléctrica o la confiabilidad de cortocircuito, 6,7 de los cuales uno de los problemas de confiabilidad más importantes es la degradación bipolar 2,8,9,10,11. Esta degradación bipolar se descubrió hace más de 20 años y durante mucho tiempo ha sido un problema en la fabricación de dispositivos SIC.
La degradación bipolar es causada por un solo defecto de la pila de Shockley (1SSF) en cristales 4H-SIC con dislocaciones del plano basal (BPD) que se propagan por el deslizamiento de dislocación mejorado por recombinación (REDG) 12,13,14,15,16,17,18,19. Por lo tanto, si la expansión de BPD se suprime a 1SSF, los dispositivos de potencia 4H-SIC se pueden fabricar sin degradación bipolar. Se ha informado que varios métodos suprimen la propagación de BPD, como la transformación de la dislocación de la dislocación del borde de hilo (TED) 20,21,22,23,24. En las últimas obleas epitaxiales SIC, el BPD está presente principalmente en el sustrato y no en la capa epitaxial debido a la conversión de BPD a TED durante la etapa inicial del crecimiento epitaxial. Por lo tanto, el problema restante de la degradación bipolar es la distribución de BPD en el sustrato 25,26,27. La inserción de una "capa de refuerzo compuesto" entre la capa de deriva y el sustrato se ha propuesto como un método efectivo para suprimir la expansión de BPD en el sustrato28, 29, 30, 31. Esta capa aumenta la probabilidad de recombinación de pares de electrones en la capa epitaxial y sustrato SIC. La reducción del número de pares de electrones reduce la fuerza impulsora de REDG a BPD en el sustrato, por lo que la capa de refuerzo compuesto puede suprimir la degradación bipolar. Cabe señalar que la inserción de una capa implica costos adicionales en la producción de obleas, y sin la inserción de una capa es difícil reducir el número de pares de electrones al controlar solo el control de la vida útil del portador. Por lo tanto, todavía existe una gran necesidad de desarrollar otros métodos de supresión para lograr un mejor equilibrio entre el costo y el rendimiento de fabricación de dispositivos.
Debido a que la extensión del BPD a 1SSF requiere el movimiento de las dislocaciones parciales (PD), fijar el PD es un enfoque prometedor para inhibir la degradación bipolar. Aunque se ha informado la fijación de PD por impurezas metálicas, los FPD en sustratos 4H-SIC se encuentran a una distancia de más de 5 μm de la superficie de la capa epitaxial. Además, dado que el coeficiente de difusión de cualquier metal en SiC es muy pequeño, es difícil que las impurezas de metales se difundan en el sustrato34. Debido a la masa atómica relativamente grande de metales, la implantación de iones de metales también es difícil. En contraste, en el caso del hidrógeno, el elemento más ligero, los iones (protones) se pueden implantar en 4H-SIC a una profundidad de más de 10 µm usando un acelerador de clase MEV. Por lo tanto, si la implantación de protones afecta la fijación de PD, se puede usar para suprimir la propagación de BPD en el sustrato. Sin embargo, la implantación de protones puede dañar 4H-SIC y dar como resultado un rendimiento reducido del dispositivo 37,38,39,40.
Para superar la degradación del dispositivo debido a la implantación de protones, el recocido de alta temperatura se usa para reparar el daño, de manera similar al método de recocido comúnmente utilizado después de la implantación de iones de aceptación en el procesamiento de dispositivos 1, 40, 41, 42. Aunque el espectrometría de masas de iones secundarias (SIMS) 43 informa la difusión de hidrógeno debido a la ranura de alta temperatura, es posible que solo sea posible que la densidad de la densidad de la hidrógeno no sea la datd de hidrógeno que no se detecta a la datida de hidrógeno que no está cerca de la datida de hidrógeno. Ponte del PR usando SIMS. Por lo tanto, en este estudio, implantamos protones en obleas epitaxiales 4H-SIC antes del proceso de fabricación de dispositivos, incluido el recocido de alta temperatura. Utilizamos diodos PIN como estructuras de dispositivos experimentales y los fabricamos en obleas epitaxiales 4H-SIC implantadas por protones. Luego observamos las características de Volt-Ampere para estudiar la degradación del rendimiento del dispositivo debido a la inyección de protones. Posteriormente, observamos la expansión de 1SSF en imágenes de electroluminiscencia (EL) después de aplicar un voltaje eléctrico al diodo del pin. Finalmente, confirmamos el efecto de la inyección de protones en la supresión de la expansión de 1SSF.
En la fig. La Figura 1 muestra las características de corriente -voltaje (CVC) de diodos PIN a temperatura ambiente en regiones con y sin implantación de protones antes de la corriente pulsada. Los diodos PIN con inyección de protones muestran características de rectificación similares a los diodos sin inyección de protones, a pesar de que las características IV se comparten entre los diodos. Para indicar la diferencia entre las condiciones de inyección, trazamos la frecuencia de voltaje a una densidad de corriente directa de 2.5 A/cm2 (correspondiente a 100 mA) como una gráfica estadística como se muestra en la Figura 2. La curva aproximada por una distribución normal también está representada por una línea punteada. línea. Como se puede ver en los picos de las curvas, la resistencia en resistencia aumenta ligeramente a dosis de protones de 1014 y 1016 cm-2, mientras que el diodo PIN con una dosis de protones de 1012 cm-2 muestra casi las mismas características que sin implantación de protones. También realizamos la implantación de protones después de la fabricación de diodos PIN que no exhibieron electroluminiscencia uniforme debido al daño causado por la implantación de protones como se muestra en la Figura S1 como se describe en estudios anteriores37,38,39. Por lo tanto, el recocido a 1600 ° C después de la implantación de iones Al es un proceso necesario para fabricar dispositivos para activar el aceptador de Al, que puede reparar el daño causado por la implantación de protones, lo que hace que los CVC sean lo mismo entre los pines de protones implantados y no implantados. La frecuencia de corriente inversa a -5 V también se presenta en la Figura S2, no hay diferencias significativas entre los diodos con y sin inyección de protones.
Características de Volt-Ampere de diodos PIN con y sin protones inyectados a temperatura ambiente. La leyenda indica la dosis de protones.
Frecuencia de voltaje a la corriente continua 2.5 A/cm2 para diodos PIN con protones inyectados y no inyectados. La línea punteada corresponde a la distribución normal.
En la fig. 3 muestra una imagen EL de un diodo PIN con una densidad de corriente de 25 A/cm2 después del voltaje. Antes de aplicar la carga de corriente pulsada, no se observaron las regiones oscuras del diodo, como se muestra en la Figura 3. C2. Sin embargo, como se muestra en la Fig. 3a, en un diodo de pin sin implantación de protones, se observaron varias regiones de rayas oscuras con bordes de luz después de aplicar un voltaje eléctrico. Dichas regiones oscuras en forma de varilla se observan en las imágenes EL para 1SSF que se extienden desde el BPD en el sustrato28,29. En cambio, se observaron algunas fallas de apilamiento extendidas en diodos PIN con protones implantados, como se muestra en la Fig. 3B - D. Usando la topografía de rayos X, confirmamos la presencia de PRS que pueden moverse del BPD al sustrato en la periferia de los contactos en el diodo del pin sin inyección de protones (Fig. 4: Esta imagen sin eliminar el electrodo superior (fotografiado, PR bajo los electrodos no es visible). Por lo tanto, el área oscura en la imagen de la imagen de la imagen de OTSE INDIOM ATS OTRO IMAGA DEL SUMPRADO DE LA CONDURA DEL PIN DEL PIN DEL PIN DEL PIN DEL PIN DEL PIN DEL PIN DEL PIN DEL PIN DE LA COMBA DE LA SELTRACIÓN. Se muestra en las Figuras 1 y 2. Los videos S3-S6 con y sin áreas oscuras extendidas (imágenes EL variables en el tiempo de diodos PIN sin inyección de protones e implantados a 1014 cm-2) también se muestran en información complementaria.
EL Imágenes de diodos PIN a 25 A/cm2 después de 2 horas de estrés eléctrico (a) sin implantación de protones y con dosis implantadas de (b) 1012 cm-2, (c) 1014 cm-2 y (d) 1016 cm-2 protons.
Calculamos la densidad de 1SSF expandido calculando áreas oscuras con bordes brillantes en tres diodos PIN para cada condición, como se muestra en la Figura 5. La densidad de 1SSF expandido disminuye con el aumento de la dosis de protones, e incluso a una dosis de 1012 cm-2, la densidad de 1SF expandido es significativamente menor que en un diodo PIN no implantado.
Aumento de las densidades de los diodos PIN SF con y sin implantación de protones después de la carga con una corriente pulsada (cada estado incluía tres diodos cargados).
Acortar la vida útil del portador también afecta la supresión de la expansión, y la inyección de protones reduce la vida útil del portador32,36. Hemos observado la vida útil del portador en una capa epitaxial de 60 µm de espesor con protones inyectados de 1014 cm-2. Desde la vida útil inicial del portador, aunque el implante reduce el valor a ~ 10%, el recocido posterior lo restaura a ~ 50%, como se muestra en la Fig. S7. Por lo tanto, la vida útil del portador, reducida debido a la implantación de protones, se restaura por recocido a alta temperatura. Aunque una reducción del 50% en la vida portadora también suprime la propagación de fallas de apilamiento, las características I-V, que generalmente dependen de la vida del portador, muestran solo diferencias menores entre diodos inyectados y no implantados. Por lo tanto, creemos que el anclaje de EP juega un papel en la inhibición de la expansión de 1SSF.
Aunque los SIM no detectaron hidrógeno después del recocido a 1600 ° C, como se informó en estudios anteriores, observamos el efecto de la implantación de protones en la supresión de la expansión de 1SSF, como se muestra en las Figuras 1 y 4. 3, 4. Cabe señalar que no hemos confirmado un aumento en la resistencia en el estado debido al alargamiento de 1SSF después de una carga de corriente de aumento. Esto puede deberse a contactos óhmicos imperfectos realizados utilizando nuestro proceso, que se eliminarán en el futuro cercano.
En conclusión, desarrollamos un método de enfriamiento para extender el BPD a 1SSF en diodos PIN 4H-SIC utilizando la implantación de protones antes de la fabricación del dispositivo. El deterioro de la característica I - V durante la implantación de protones es insignificante, especialmente a una dosis de protones de 1012 cm - 2, pero el efecto de suprimir la expansión de 1SSF es significativo. Aunque en este estudio fabricamos diodos de pin de 10 µm de espesor con implantación de protones a una profundidad de 10 µm, todavía es posible optimizar aún más las condiciones de implantación y aplicarlos para fabricar otros tipos de dispositivos 4H-SIC. Se deben considerar costos adicionales para la fabricación de dispositivos durante la implantación de protones, pero serán similares a los de la implantación de iones de aluminio, que es el principal proceso de fabricación para dispositivos de potencia 4H-SIC. Por lo tanto, la implantación de protones antes del procesamiento del dispositivo es un método potencial para fabricar dispositivos de potencia bipolar 4H-SIC sin degeneración.
Se usó una oblea de 4H-SIC de tipo N de 4 pulgadas con un espesor de capa epitaxial de 10 µM y una concentración de dopaje de donante de 1 × 1016 cm-3 como muestra. Antes de procesar el dispositivo, los iones H+ se implantaron en la placa con una energía de aceleración de 0.95 MeV a temperatura ambiente a una profundidad de aproximadamente 10 μm en un ángulo normal a la superficie de la placa. Durante la implantación de protones, se usó una máscara en una placa, y la placa tenía secciones sin y con una dosis de protones de 1012, 1014 o 1016 cm-2. Luego, los iones Al con dosis de protones de 1020 y 1017 cm - 3 se implantaron sobre la oblea completa a una profundidad de 0-0.2 µm y 0.2-0.5 µm de la superficie, seguido de recocido a 1600 ° C para formar una tapa de carbono para formar una capa AP. -tipo. Posteriormente, se depositó un contacto de NI del lado posterior en el lado del sustrato, mientras que un contacto frontal Ti/Al de 2.0 mm × 2.0 mm en forma de peine formado por fotolitografía y se depositó un proceso de cáscara en el lado de la capa epitaxial. Finalmente, el recocido de contacto se lleva a cabo a una temperatura de 700 ° C. Después de cortar la oblea en chips, realizamos la caracterización y la aplicación del estrés.
Las características I - V de los diodos PIN fabricados se observaron utilizando un analizador de parámetros semiconductores HP4155B. Como estrés eléctrico, se introdujo una corriente pulsada de 10 milisegundos de 212.5 A/cm2 durante 2 horas a una frecuencia de 10 pulsos/seg. Cuando elegimos una densidad o frecuencia de corriente más baja, no observamos la expansión de 1SSF incluso en un diodo PIN sin inyección de protones. Durante el voltaje eléctrico aplicado, la temperatura del diodo del pin es de alrededor de 70 ° C sin calentamiento intencional, como se muestra en la Figura S8. Las imágenes electroluminiscentes se obtuvieron antes y después del estrés eléctrico a una densidad de corriente de 25 A/cm2. Topografía de rayos X de incidencia de pastoreo de reflexión de sincrotrón utilizando un haz de rayos X monocromático (λ = 0.15 nm) en el centro de radiación sincrotrón de AICHI, el vector Ag en BL8S2 es -1-128 o 11-28 (ver Ref. 44 para más detalles). ).
La frecuencia de voltaje a una densidad de corriente directa de 2.5 A/cm2 se extrae con un intervalo de 0.5 V en la Fig. 2 Según el CVC de cada estado del diodo PIN. Del valor medio del vave de estrés y la desviación estándar σ del estrés, trazamos una curva de distribución normal en forma de una línea punteada en la Figura 2 utilizando la siguiente ecuación:
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Canción, H. y Sudarshan, TS Conversión de dislocación del plano basal cerca de la interfaz de la epilapa/sustrato en el crecimiento epitaxial de 4 ° fuera del eje 4H-SIC. Canción, H. y Sudarshan, TS Conversión de dislocación del plano basal cerca de la interfaz de la epilapa/sustrato en el crecimiento epitaxial de 4 ° fuera del eje 4H-SIC.Song, H. y Sudarshan, TS Transformación de dislocaciones del plano basal cerca de la interfaz de capa/sustrato epitaxial durante el crecimiento epitaxial fuera del eje de 4H-SIC. Canción, H. y 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。 Canción, H. y Sudarshan, TS 在 4 ° 离轴 4H-Sic Canción, H. y Sudarshan, TSTransición de dislocación plana del sustrato cerca de la capa epitaxial/límite de sustrato durante el crecimiento epitaxial de 4H-SIC fuera del eje de 4 °.J. Crystal. Crecimiento 371, 94-101 (2013).
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Tiempo de publicación: Nov-06-2022
