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4H-SIC a été commercialisé en tant que matériau pour les dispositifs de semi-conducteurs de puissance. Cependant, la fiabilité à long terme des dispositifs 4H-SIC est un obstacle à leur large application, et le problème de fiabilité le plus important des dispositifs 4H-SIC est la dégradation bipolaire. Cette dégradation est causée par une seule propagation de défaut d'empilement Shockley (1SSF) des dislocations du plan basal dans les cristaux 4H-SIC. Ici, nous proposons une méthode de suppression de l'expansion 1SSF en implantant des protons sur des plaquettes épitaxiales 4H-SIC. Les diodes de broches fabriquées sur des plaquettes avec implantation de protons ont montré les mêmes caractéristiques de courant-tension que les diodes sans implantation de protons. En revanche, l'expansion 1SSF est effectivement supprimée dans la diode PIN implantée à proton. Ainsi, l'implantation de protons en tranches épitaxiales 4H-SIC est une méthode efficace pour supprimer la dégradation bipolaire des dispositifs semi-conducteurs de puissance 4H-SIC tout en maintenant les performances du dispositif. Ce résultat contribue au développement de dispositifs 4H-SIC très fiables.
Le carbure de silicium (SIC) est largement reconnu comme un matériau semi-conducteur pour les dispositifs semi-conducteurs haute puissance et haute fréquence qui peuvent fonctionner dans des environnements difficiles1. Il existe de nombreux polytypes SIC, parmi lesquels 4H-SIC possède d'excellents propriétés physiques de dispositif semi-conducteur telles que la mobilité élevée des électrons et le champ électrique à forte panne2. Les plaquettes 4H-SIC avec un diamètre de 6 pouces sont actuellement commercialisées et utilisées pour la production de masse de dispositifs de semi-conducteurs électriques3. Les systèmes de traction pour les véhicules et les trains électriques ont été fabriqués à l'aide de dispositifs semi-conducteurs de puissance 4H-SIC4.5. Cependant, les dispositifs 4H-SIC souffrent toujours de problèmes de fiabilité à long terme tels que la rupture diélectrique ou la fiabilité de court-circuit, dont 6,7, dont l'un des problèmes de fiabilité les plus importants est la dégradation bipolaire2,8,9,10,11. Cette dégradation bipolaire a été découverte il y a plus de 20 ans et a longtemps été un problème dans la fabrication de dispositifs SIC.
La dégradation bipolaire est causée par un seul défaut de pile Shockley (1SSF) dans des cristaux 4H-SIC avec des dislocations de plan basal (BPDS) se propageant par recombinaison améliorée Glide (Redg) 12,13,14,15,16,17,18,19. Par conséquent, si l'expansion du BPD est supprimée à 1SSF, les dispositifs d'alimentation 4H-SIC peuvent être fabriqués sans dégradation bipolaire. Plusieurs méthodes ont été signalées pour supprimer la propagation du BPD, telles que la transformation de la dislocation du bord de filetage (TED) 20,21,22,23,24. Dans les dernières tranches épitaxiales SIC, le BPD est principalement présent dans le substrat et non dans la couche épitaxiale en raison de la conversion du trouble borderline en TED pendant le stade initial de la croissance épitaxiale. Par conséquent, le problème restant de la dégradation bipolaire est la distribution du BPD dans le substrat 25,26,27. L'insertion d'une «couche de renforcement composite» entre la couche de dérive et le substrat a été proposée comme une méthode efficace pour supprimer l'expansion du BPD dans le substrat28, 29, 30, 31. Cette couche augmente la probabilité de recombinaison de paires de trou d'électron dans la couche épitaxiale et le substrat sic. La réduction du nombre de paires d'électrons-trous réduit la force motrice de REDG en BPD dans le substrat, de sorte que la couche d'armature composite peut supprimer la dégradation bipolaire. Il convient de noter que l'insertion d'une couche entraîne des coûts supplémentaires dans la production de plaquettes, et sans l'insertion d'une couche, il est difficile de réduire le nombre de paires d'électrons en ne contrôlant que le contrôle de la durée de vie du transporteur. Par conséquent, il est toujours fort de développer d'autres méthodes de suppression pour obtenir un meilleur équilibre entre le coût de fabrication des appareils et le rendement.
Étant donné que l'extension du BPD à 1SSF nécessite un mouvement de luxations partielles (PD), la broche de la MP est une approche prometteuse pour inhiber la dégradation bipolaire. Bien que la broche PD par des impuretés métalliques ait été signalée, les FPD dans les substrats 4H-SIC sont situés à une distance de plus de 5 μm de la surface de la couche épitaxiale. De plus, comme le coefficient de diffusion de tout métal en SIC est très faible, il est difficile pour les impuretés métalliques de se diffuser dans le substrat34. En raison de la masse atomique relativement importante des métaux, l'implantation ionique des métaux est également difficile. En revanche, dans le cas de l'hydrogène, l'élément le plus léger, les ions (protons) peuvent être implantés en 4H-SIC à une profondeur de plus de 10 µm en utilisant un accélérateur de classe MEV. Par conséquent, si l'implantation de protons affecte la broche de Pd, elle peut être utilisée pour supprimer la propagation du BPD dans le substrat. Cependant, l'implantation de protons peut endommager le 4H-SIC et entraîner une réduction des performances du dispositif 37,38,39,40.
Pour surmonter la dégradation de l'appareil en raison de l'implantation de protons, un recuit à haute température est utilisé pour réparer les dommages, similaire à la méthode de recuit couramment utilisée après l'implantation d'ions acceptrice dans le traitement de l'appareil 1, 40, 41, 42. Bien que la spectrométrie de masse ionique secondaire (SIMS) ait signalé PR à l'aide de sims. Par conséquent, dans cette étude, nous avons implanté des protons en tranches épitaxiales 4H-SIC avant le processus de fabrication de l'appareil, y compris un recuit à haute température. Nous avons utilisé des diodes PIN comme structures de dispositifs expérimentaux et les avons fabriqués sur des plaquettes épitaxiales 4H-SIC implantées à protons. Nous avons ensuite observé les caractéristiques de Volt-Ampère pour étudier la dégradation des performances du dispositif en raison de l'injection de protons. Par la suite, nous avons observé l'expansion de 1SSF dans les images d'électroluminescence (EL) après avoir appliqué une tension électrique à la diode PIN. Enfin, nous avons confirmé l'effet de l'injection de protons sur la suppression de l'expansion 1SSF.
Sur la fig. La figure 1 montre les caractéristiques de courant-tension (CVC) des diodes de broches à température ambiante dans les régions avec et sans implantation de protons avant le courant pulsé. Les diodes de broches avec injection de protons montrent des caractéristiques de rectification similaires aux diodes sans injection de protons, même si les caractéristiques IV sont partagées entre les diodes. Pour indiquer la différence entre les conditions d'injection, nous avons tracé la fréquence de tension à une densité de courant vers l'avant de 2,5 a / cm2 (correspondant à 100 mA) comme tracé statistique comme le montre la figure 2. La courbe approximée par une distribution normale est également représentée par une ligne pointillée. doubler. Comme on peut le voir dans les pics des courbes, la résistance sur la résistance augmente légèrement à des doses de protons de 1014 et 1016 cm-2, tandis que la diode PIN avec une dose de proton de 1012 cm-2 montre presque les mêmes caractéristiques que sans implantation de protons. Nous avons également effectué l'implantation de protons après fabrication de diodes de broches qui ne présentaient pas d'électroluminescence uniforme due aux dommages causés par l'implantation de protons comme le montre la figure S1 comme décrit dans les études précédentes 37,38,39. Par conséquent, le recuit à 1600 ° C après l'implantation des ions AL est un processus nécessaire pour fabriquer des dispositifs pour activer l'accepteur AL, qui peut réparer les dommages causés par l'implantation de protons, ce qui rend les CVC les mêmes entre les diodes de broches de proton implantées et non implantées. La fréquence de courant inverse à -5 V est également présentée sur la figure S2, il n'y a pas de différence significative entre les diodes avec et sans injection de protons.
Caractéristiques Volt-Ampère des diodes de broches avec et sans protons injectés à température ambiante. La légende indique la dose de protons.
Fréquence de tension au courant direct 2.5 A / CM2 pour les diodes PIN avec des protons injectés et non injectés. La ligne pointillée correspond à la distribution normale.
Sur la fig. 3 montre une image EL d'une diode PIN avec une densité de courant de 25 A / CM2 après tension. Avant d'appliquer la charge de courant pulsée, les régions sombres de la diode n'ont pas été observées, comme le montre la figure 3. C2. Cependant, comme le montre la Fig. 3A, dans une diode à broches sans implantation de protons, plusieurs régions à rayures sombres avec des bords claires ont été observées après application d'une tension électrique. De telles régions sombres en forme de tige sont observées dans les images EL pour 1SSF s'étendant du BPD dans le substrat28,29. Au lieu de cela, certains défauts d'empilement étendus ont été observés dans les diodes de broches avec des protons implantés, comme le montre la figure 3B - D. En utilisant la topographie aux rayons X, nous avons confirmé la présence de PR qui peut passer du BPD vers le substrat à la périphérie des contacts dans la diode de broche sans injection de proton (Fig. 4: Cette image sans retirer la zone supérieure (photographiée, PR sous les électrodes n'est pas visible). Par conséquent, la zone sombre dans l'image EL correspond à un dose étendu 1SSF BPD Montré dans les figures 1 et 2. Les vidéos S3-S6 avec et sans zones sombres étendues (images EL variant dans le temps de diodes de broche sans injection de protons et implantées à 1014 cm-2) sont également présentées dans des informations supplémentaires.
El images de diodes de broches à 25 a / cm2 après 2 heures de contrainte électrique (a) sans implantation de protons et avec des doses implantées de (b) 1012 cm-2, (c) 1014 cm-2 et (d) 1016 cm-2 protons.
Nous avons calculé la densité du 1SSF élargi en calculant les zones sombres avec des bords lumineux dans trois diodes de broches pour chaque condition, comme le montre la figure 5. La densité du 1SSF élargie diminue avec l'augmentation de la dose de protons, et même à une dose de 1012 cm-2, la densité de la 1SSF étendue est significativement inférieure à une diode d'épingle non appliquée.
Des densités accrues de diodes PIN SF avec et sans implantation de protons après le chargement avec un courant pulsé (chaque état comprenait trois diodes chargées).
Le raccourcissement de la durée de vie du transporteur affecte également la suppression de l'expansion et l'injection de protons réduit la durée de vie du transporteur32,36. Nous avons observé des durées de vie porteuses dans une couche épitaxiale de 60 µm d'épaisseur avec des protons injectés de 1014 cm-2. À partir de la durée de vie de porteuse initiale, bien que l'implant réduit la valeur à ~ 10%, le recuit subséquent le restaure à ~ 50%, comme le montre la figure S7. Par conséquent, la durée de vie du transporteur, réduite en raison de l'implantation de protons, est restaurée par recuit à haute température. Bien qu'une réduction de 50% de la durée de vie des porteurs supprime également la propagation des défauts d'empilement, les caractéristiques I - V, qui dépendent généralement de la durée de vie des porteurs, ne montrent que des différences mineures entre les diodes injectées et non implantées. Par conséquent, nous pensons que l'ancrage PD joue un rôle dans l'inhibition de l'expansion du 1SSF.
Bien que les Sims n'aient pas détecté l'hydrogène après le recuit à 1600 ° C, comme indiqué dans les études précédentes, nous avons observé l'effet de l'implantation de protons sur la suppression de l'expansion 1SSF, comme le montrent les figures 1 et 4. 3, 4. Par conséquent, nous pensons que la PD est ancrée par des atomes d'hydrogène avec une densité inférieure à la limite de détection des simulations (2 × 1016 CM-3) ou un point de détection par les simulations. Il convient de noter que nous n'avons pas confirmé une augmentation de la résistance à l'État en raison de l'allongement de 1SSF après une charge de courant. Cela peut être dû à des contacts ohmiques imparfaits établis à l'aide de notre processus, qui sera éliminé dans un avenir proche.
En conclusion, nous avons développé une méthode d'extinction pour étendre le BPD à 1SSF dans des diodes de broches 4H-SIC en utilisant l'implantation de protons avant la fabrication de l'appareil. La détérioration de la caractéristique I - V pendant l'implantation de protons est insignifiante, en particulier à une dose de protons de 1012 cm - 2, mais l'effet de la suppression de l'expansion 1SSF est significatif. Bien que dans cette étude, nous avons fabriqué des diodes de broches de 10 µm d'épaisseur avec implantation de protons à une profondeur de 10 µm, il est toujours possible d'optimiser davantage les conditions d'implantation et de les appliquer à la fabrication d'autres types de dispositifs 4H-SIC. Des coûts supplémentaires pour la fabrication des appareils pendant l'implantation de protons doivent être pris en compte, mais ils seront similaires à ceux de l'implantation d'ions en aluminium, qui est le principal processus de fabrication pour les dispositifs d'alimentation 4H-SIC. Ainsi, l'implantation de protons avant le traitement de l'appareil est une méthode potentielle pour fabriquer des dispositifs de puissance bipolaire 4H-SIC sans dégénérescence.
Une plaquette 4H-SIC de type N de 4 pouces avec une épaisseur de couche épitaxiale de 10 µm et une concentration de dopage donneur de 1 × 1016 cm - 3 ont été utilisées comme échantillon. Avant de traiter l'appareil, les ions H + ont été implantés dans la plaque avec une énergie d'accélération de 0,95 meV à température ambiante à une profondeur d'environ 10 μm à un angle normal par rapport à la surface de la plaque. Pendant l'implantation de protons, un masque sur une plaque a été utilisé et la plaque avait des sections sans et avec une dose de proton de 1012, 1014 ou 1016 cm-2. Ensuite, les ions Al avec des doses de protons de 1020 et 1017 cm - 3 ont été implantés sur toute la tranche à une profondeur de 0 à 0,2 µm et 0,2 à 0,5 µm de la surface, suivi d'un recuit à 1600 ° C pour former un capuchon de carbone pour former une couche AP. -taper. Par la suite, un contact Ni arrière au dos a été déposé du côté substrat, tandis qu'un contact avant Ti / Al avant en forme de peigne de 2,0 mm × 2,0 mM formé par photolithographie et un processus de peeling a été déposé du côté de la couche épitaxiale. Enfin, le recuit des contacts est effectué à une température de 700 ° C. Après avoir coupé la tranche en puces, nous avons effectué une caractérisation et une application de stress.
Les caractéristiques I - V des diodes de broches fabriquées ont été observées à l'aide d'un analyseur de paramètres semi-conducteur HP4155B. En tant que contrainte électrique, un courant pulsé de 10 millisecondes de 212,5 a / cm2 a été introduit pendant 2 heures à une fréquence de 10 impulsions / sec. Lorsque nous avons choisi une densité ou une fréquence de courant inférieure, nous n'avons pas observé d'expansion 1SSF même dans une diode PIN sans injection de protons. Pendant la tension électrique appliquée, la température de la diode de broche est d'environ 70 ° C sans chauffage intentionnel, comme le montre la figure S8. Des images électroluminescentes ont été obtenues avant et après une contrainte électrique à une densité de courant de 25 A / cm2. Réflexion synchrotron Pâtuage Topographie des rayons X à l'aide d'un faisceau de rayons X monochromatique (λ = 0,15 nm) au centre de rayonnement Synchrotron Aichi, le vecteur AG dans BL8S2 est -1-128 ou 11-28 (voir Réf. 44 pour plus de détails). ).
La fréquence de tension à une densité de courant vers l'avant de 2,5 a / cm2 est extraite avec un intervalle de 0,5 V sur la fig. 2 Selon le CVC de chaque état de la diode PIN. À partir de la valeur moyenne de la germe de la contrainte et de l'écart type σ de la contrainte, nous tracons une courbe de distribution normale sous la forme d'une ligne pointillée sur la figure 2 en utilisant l'équation suivante:
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Heure du poste: nov-06-2022
