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El 4H-SiC se ha comercializado como material para dispositivos 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 única falla de apilamiento de Shockley (1SSF) que propaga dislocaciones del plano basal en cristales de 4H-SiC. Aquí, proponemos un método para suprimir la expansión de 1SSF mediante la implantación de protones en obleas epitaxiales de 4H-SiC. Los diodos PiN fabricados en obleas con implantación de protones mostraron las mismas características de corriente-voltaje que los diodos sin implantación de protones. Por el contrario, la expansión 1SSF se suprime efectivamente en el diodo PiN implantado con protones. Por lo tanto, la implantación de protones en obleas epitaxiales de 4H-SiC es un método eficaz para suprimir la degradación bipolar de los dispositivos semiconductores de potencia de 4H-SiC manteniendo al mismo tiempo el rendimiento del dispositivo. Este resultado contribuye al desarrollo de dispositivos 4H-SiC altamente confiables.
El carburo de silicio (SiC) es ampliamente reconocido como material semiconductor para dispositivos semiconductores de alta potencia y alta frecuencia que pueden funcionar en entornos hostiles1. Existen muchos politipos de SiC, entre los cuales el 4H-SiC tiene excelentes propiedades físicas de dispositivos semiconductores, como una alta movilidad de electrones y un fuerte campo eléctrico de ruptura2. Actualmente se comercializan obleas de 4H-SiC con un diámetro de 6 pulgadas y se utilizan 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 4H-SiC4.5. Sin embargo, los dispositivos 4H-SiC todavía sufren problemas de confiabilidad a largo plazo, como fallas dieléctricas o confiabilidad en cortocircuitos,6,7 de los cuales uno de los problemas de confiabilidad más importantes es la degradación bipolar2,8,9,10,11. Esta degradación bipolar se descubrió hace más de 20 años y ha sido durante mucho tiempo un problema en la fabricación de dispositivos de SiC.
La degradación bipolar es causada por un único defecto de pila de Shockley (1SSF) en cristales de 4H-SiC con dislocaciones del plano basal (BPD) que se propagan mediante deslizamiento de dislocación mejorado por recombinación (REDG) 12,13,14,15,16,17,18,19. Por lo tanto, si se suprime la expansión de BPD a 1SSF, se pueden fabricar dispositivos de potencia 4H-SiC sin degradación bipolar. Se ha informado que varios métodos suprimen la propagación de BPD, como la transformación de BPD a dislocación de borde de hilo (TED) 20,21,22,23,24. En las últimas obleas epitaxiales de SiC, la BPD está presente principalmente en el sustrato y no en la capa epitaxial debido a la conversión de BPD en TED durante la etapa inicial de 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 compuesta" entre la capa de deriva y el sustrato se ha propuesto como un método eficaz para suprimir la expansión de BPD en el sustrato28, 29, 30, 31. Esta capa aumenta la probabilidad de recombinación de pares de electrones y huecos en el sustrato. capa epitaxial y sustrato de SiC. La reducción del número de pares de huecos de electrones reduce la fuerza impulsora de REDG a BPD en el sustrato, por lo que la capa de refuerzo compuesta 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 huecos de electrones controlando 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 del dispositivo.
Debido a que la extensión del BPD a 1SSF requiere el movimiento de dislocaciones parciales (PD), fijar el PD es un enfoque prometedor para inhibir la degradación bipolar. Aunque se ha informado de fijación de PD por impurezas metálicas, los FPD en sustratos de 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 del metal se difundan en el sustrato34. Debido a la masa atómica relativamente grande de los metales, la implantación de iones en los metales también es difícil. Por el contrario, en el caso del hidrógeno, el elemento más ligero, se pueden implantar iones (protones) en 4H-SiC a una profundidad de más de 10 µm utilizando un acelerador de clase MeV. Por lo tanto, si la implantación de protones afecta la fijación de PD, entonces se puede utilizar para suprimir la propagación de BPD en el sustrato. Sin embargo, la implantación de protones puede dañar el 4H-SiC y reducir el rendimiento del dispositivo37,38,39,40.
Para superar la degradación del dispositivo debido a la implantación de protones, se utiliza recocido a alta temperatura para reparar el daño, similar al método de recocido comúnmente utilizado después de la implantación de iones aceptores en el procesamiento de dispositivos1, 40, 41, 42. Aunque la espectrometría de masas de iones secundarios (SIMS)43 ha informaron difusión de hidrógeno debido al recocido a alta temperatura, es posible que solo la densidad de los átomos de hidrógeno cerca del FD no sea suficiente para detectar la fijación del PR usando SIMS. Por lo tanto, en este estudio, implantamos protones en obleas epitaxiales de 4H-SiC antes del proceso de fabricación del dispositivo, incluido el recocido a alta temperatura. Utilizamos diodos PiN como estructuras de dispositivos experimentales y los fabricamos en obleas epitaxiales de 4H-SiC implantadas con protones. Luego observamos las características de voltios-amperios 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 PiN. Finalmente, confirmamos el efecto de la inyección de protones sobre la supresión de la expansión del 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, aunque las características IV son compartidas entre los diodos. Para indicar la diferencia entre las condiciones de inyección, trazamos la frecuencia de voltaje con una densidad de corriente directa de 2,5 A/cm2 (correspondiente a 100 mA) como un gráfico estadístico como se muestra en la Figura 2. También se representa la curva aproximada por una distribución normal. por una línea de puntos. línea. Como puede verse en los picos de las curvas, la resistencia aumenta ligeramente con 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 de Al es un proceso necesario para fabricar dispositivos que activen el aceptor de Al, que puede reparar el daño causado por la implantación de protones, lo que hace que los CVC sean los mismos entre los diodos PiN de protones implantados y no implantados. . La frecuencia de corriente inversa a -5 V también se presenta en la Figura S2; no hay una diferencia significativa entre diodos con y sin inyección de protones.
Características voltios-amperios de diodos PiN con y sin protones inyectados a temperatura ambiente. La leyenda indica la dosis de protones.
Frecuencia de tensión en corriente continua 2,5 A/cm2 para diodos PiN con protones inyectados y no inyectados. La línea de puntos 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 PiN sin implantación de protones, se observaron varias regiones rayadas oscuras con bordes claros después de aplicar un voltaje eléctrico. Estas regiones oscuras en forma de bastón se observan en 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 las figuras 3b-d. Usando topografía de rayos X, confirmamos la presencia de PR que pueden moverse desde el BPD al sustrato en la periferia de los contactos en el diodo PiN sin inyección de protones (Fig. 4: esta imagen sin quitar el electrodo superior (fotografiado, PR debajo de los electrodos no es visible). Por lo tanto, el área oscura en la imagen EL corresponde a un BPD 1SSF extendido en el sustrato. Las imágenes EL de otros diodos PiN cargados se muestran en las Figuras 1 y 2. Videos S3-S6 con y sin extendido. Las áreas oscuras (imágenes EL que varían en el tiempo de diodos PiN sin inyección de protones e implantados a 1014 cm-2) también se muestran en Información complementaria.
Imágenes EL 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 protones.
Calculamos la densidad del 1SSF expandido calculando áreas oscuras con bordes brillantes en tres diodos PiN para cada condición, como se muestra en la Figura 5. La densidad del 1SSF expandido disminuye al aumentar la dosis de protones, e incluso con una dosis de 1012 cm-2, la densidad del 1SSF expandido es significativamente menor que en un diodo PiN no implantado.
Aumento de las densidades de diodos SF PiN con y sin implantación de protones después de cargarlos 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 vidas útiles de portadores 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 restablece mediante recocido a alta temperatura. Aunque una reducción del 50% en la vida útil del portador también suprime la propagación de fallas de apilamiento, las características I-V, que generalmente dependen de la vida útil del portador, muestran solo diferencias menores entre los diodos inyectados y no implantados. Por lo tanto, creemos que el anclaje de PD juega un papel en la inhibición de la expansión del 1SSF.
Aunque SIMS no detectó 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. Por lo tanto, creemos que el PD está anclado por átomos de hidrógeno con una densidad inferior al límite de detección de SIMS (2 × 1016 cm-3) o defectos puntuales inducidos por la implantación. Cabe señalar que no hemos confirmado un aumento en la resistencia en estado encendido debido al alargamiento de 1SSF después de una carga de sobrecorriente. Esto puede deberse a contactos óhmicos imperfectos realizados mediante nuestro proceso, que se eliminarán en un futuro próximo.
En conclusión, desarrollamos un método de extinción para extender el BPD a 1SSF en diodos PiN 4H-SiC mediante 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 con una dosis de protones de 1012 cm-2, pero el efecto de suprimir la expansión del 1SSF es significativo. Aunque en este estudio fabricamos diodos PiN de 10 µm de espesor con implantación de protones a una profundidad de 10 µm, aún es posible optimizar aún más las condiciones de implantación y aplicarlas para fabricar otros tipos de dispositivos 4H-SiC. Se deben considerar los costos adicionales para la fabricación del dispositivo durante la implantación de protones, pero serán similares a los de la implantación de iones de aluminio, que es el principal proceso de fabricación de los dispositivos de energía 4H-SiC. Por lo tanto, la implantación de protones antes del procesamiento del dispositivo es un método potencial para fabricar dispositivos de energía bipolar 4H-SiC sin degeneración.
Se utilizó como muestra una oblea de 4H-SiC tipo n de 4 pulgadas con un espesor de capa epitaxial de 10 µm y una concentración de dopaje del donante de 1 × 1016 cm–3. Antes de procesar el dispositivo, se implantaron iones H+ en la placa con una energía de aceleración de 0,95 MeV a temperatura ambiente hasta una profundidad de aproximadamente 10 μm en un ángulo normal con respecto a la superficie de la placa. Durante la implantación de protones, se utilizó una máscara sobre una placa, y la placa tenía secciones sin y con una dosis de protones de 1012, 1014 o 1016 cm-2. Luego, se implantaron iones de Al con dosis de protones de 1020 y 1017 cm–3 sobre toda la oblea a una profundidad de 0–0,2 µm y de 0,2–0,5 µm desde la superficie, seguido de un recocido a 1600 °C para formar una capa de carbono para formar una capa ap. -tipo. Posteriormente, se depositó un contacto de Ni en la parte posterior en el lado del sustrato, mientras que en el lado de la capa epitaxial se depositó un contacto del lado frontal de Ti / Al en forma de peine de 2,0 mm × 2,0 mm formado por fotolitografía y un proceso de pelado. Finalmente, el recocido por contacto se lleva a cabo a una temperatura de 700 °C. Después de cortar la oblea en chips, realizamos la caracterización y aplicación de tensiones.
Las características I – V de los diodos PiN fabricados se observaron utilizando un analizador de parámetros de 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 de corriente o frecuencia más baja, no observamos expansión 1SSF incluso en un diodo PiN sin inyección de protones. Durante el voltaje eléctrico aplicado, la temperatura del diodo PiN es de alrededor de 70 °C sin calentamiento intencional, como se muestra en la Figura S8. Se obtuvieron imágenes electroluminiscentes antes y después del estrés eléctrico a una densidad de corriente de 25 A/cm2. Topografía de rayos X de incidencia rasante de reflexión 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 referencia 44 para más detalles) . ).
La frecuencia de tensión 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. A partir del valor medio de la tensión Vave y la desviación estándar σ de la tensión, trazamos una curva de distribución normal en forma de línea de puntos en la Figura 2 usando la siguiente ecuación:
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Hora de publicación: 06-nov-2022
