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Le 4H-SiC a été commercialisé comme matériau pour les dispositifs à semi-conducteurs de puissance. Cependant, la fiabilité à long terme des dispositifs 4H-SiC constitue 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 propagation unique de défauts d'empilement de Shockley (1SSF) de dislocations du plan basal dans les cristaux de 4H-SiC. Nous proposons ici une méthode pour supprimer l’expansion du 1SSF en implantant des protons sur des tranches épitaxiales de 4H-SiC. Les diodes PiN fabriquées sur des tranches avec implantation de protons présentaient les mêmes caractéristiques courant-tension que les diodes sans implantation de protons. En revanche, l’expansion du 1SSF est efficacement supprimée dans la diode PiN implantée par des protons. Ainsi, l’implantation de protons dans des tranches épitaxiales de 4H-SiC constitue 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 hautement fiables.
Le carbure de silicium (SiC) est largement reconnu comme matériau semi-conducteur pour les dispositifs semi-conducteurs haute puissance et haute fréquence pouvant fonctionner dans des environnements difficiles1. Il existe de nombreux polytypes de SiC, parmi lesquels le 4H-SiC possède d'excellentes propriétés physiques de dispositif semi-conducteur, telles qu'une mobilité électronique élevée et un fort champ électrique de claquage2. Des plaquettes de 4H-SiC d'un diamètre de 6 pouces sont actuellement commercialisées et utilisées pour la production en série de dispositifs à semi-conducteurs de puissance3. Les systèmes de traction pour véhicules et 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 les claquages diélectriques ou la fiabilité en cas de court-circuit,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 constitue depuis longtemps un problème dans la fabrication de dispositifs SiC.
La dégradation bipolaire est causée par un seul défaut d'empilement de Shockley (1SSF) dans des cristaux de 4H-SiC avec des luxations du plan basal (BPD) se propageant par glissement de dislocation amélioré par recombinaison (REDG)12,13,14,15,16,17,18,19. Par conséquent, si l’expansion du BPD est supprimée jusqu’au 1SSF, les dispositifs de puissance 4H-SiC peuvent être fabriqués sans dégradation bipolaire. Il a été rapporté que plusieurs méthodes suppriment la propagation du BPD, telles que la transformation BPD en Dislocation du bord du fil (TED) 20,21,22,23,24. Dans les dernières plaquettes épitaxiales SiC, le BPD est principalement présent dans le substrat et non dans la couche épitaxiale en raison de la conversion du BPD en TED au cours de la phase initiale de 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 méthode efficace pour supprimer l'expansion du BPD dans le substrat28, 29, 30, 31. Cette couche augmente la probabilité de recombinaison des paires électron-trou dans le substrat. couche épitaxiale et substrat SiC. La réduction du nombre de paires électron-trou réduit la force motrice du REDG en BPD dans le substrat, de sorte que la couche de renforcement 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 électron-trou en contrôlant uniquement le contrôle de la durée de vie du porteur. Par conséquent, il existe toujours un besoin urgent de développer d’autres méthodes de suppression afin d’obtenir un meilleur équilibre entre le coût de fabrication du dispositif et le rendement.
Étant donné que l’extension du BPD au 1SSF nécessite le mouvement des luxations partielles (PD), le blocage du PD est une approche prometteuse pour inhiber la dégradation bipolaire. Bien que le blocage des PD par des impuretés métalliques ait été signalé, 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 dans le SiC est très faible, il est difficile pour les impuretés métalliques de 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 dans le 4H-SiC jusqu’à une profondeur de plus de 10 µm à l’aide d’un accélérateur de classe MeV. Par conséquent, si l’implantation de protons affecte le blocage du PD, elle peut alors 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 dispositif37,38,39,40.
Pour surmonter la dégradation du dispositif due à 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 accepteurs dans le traitement du dispositif1, 40, 41, 42. Bien que la spectrométrie de masse des ions secondaires (SIMS)43 ait signalé une diffusion de l'hydrogène due à un recuit à haute température, il est possible que seule la densité des atomes d'hydrogène à proximité du FD ne soit pas suffisante pour détecter le blocage du PR en utilisant SIMS. Par conséquent, dans cette étude, nous avons implanté des protons dans des tranches épitaxiales de 4H-SiC avant le processus de fabrication du dispositif, y compris le recuit à haute température. Nous avons utilisé des diodes PiN comme structures de dispositifs expérimentaux et les avons fabriquées sur des tranches épitaxiales de 4H-SiC implantées par des protons. Nous avons ensuite observé les caractéristiques voltampère pour étudier la dégradation des performances du dispositif due à l'injection de protons. Par la suite, nous avons observé l'expansion du 1SSF dans les images d'électroluminescence (EL) après application d'une tension électrique à la diode PiN. Enfin, nous avons confirmé l'effet de l'injection de protons sur la suppression de l'expansion du 1SSF.
Sur la fig. La figure 1 montre les caractéristiques courant-tension (CVC) des diodes PiN à température ambiante dans les régions avec et sans implantation de protons avant le courant pulsé. Les diodes PiN avec injection de protons présentent 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 direct de 2,5 A/cm2 (correspondant à 100 mA) sous forme de tracé statistique, comme le montre la figure 2. La courbe approchée par une distribution normale est également représentée. par une ligne pointillée. doubler. Comme le montrent les sommets des courbes, la résistance à l'état passant augmente légèrement à des doses de protons de 1014 et 1016 cm-2, tandis que la diode PiN avec une dose de protons de 1012 cm-2 présente presque les mêmes caractéristiques que sans implantation de protons. . Nous avons également effectué une implantation de protons après la fabrication de diodes PiN qui ne présentaient pas d'électroluminescence uniforme en raison des dommages causés par l'implantation de protons, comme le montre la figure S1, comme décrit dans des études précédentes37,38,39. Par conséquent, le recuit à 1 600 °C après l'implantation d'ions Al est un processus nécessaire pour fabriquer des dispositifs permettant d'activer l'accepteur d'Al, qui peut réparer les dommages causés par l'implantation de protons, ce qui rend les CVC identiques entre les diodes PiN à protons implantées et non implantées. . La fréquence du 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 voltampères des diodes PiN avec et sans protons injectés à température ambiante. La légende indique la dose de protons.
Fréquence de tension en courant continu 2,5 A/cm2 pour diodes PiN à protons injectés et non injectés. La ligne pointillée correspond à la distribution normale.
Sur la fig. La figure 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 pulsé, 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 PiN sans implantation de protons, plusieurs régions rayées sombres avec des bords clairs ont été observées après application d'une tension électrique. De telles régions sombres en forme de bâtonnet sont observées dans les images EL pour 1SSF s'étendant du BPD dans le substrat . Au lieu de cela, certains défauts d'empilement étendus ont été observés dans les diodes PiN 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 peuvent se déplacer du BPD vers le substrat à la périphérie des contacts de la diode PiN sans injection de protons (Fig. 4 : cette image sans retirer l'électrode supérieure (photographiée, PR sous les électrodes n'est pas visible). Par conséquent, la zone sombre de l'image EL correspond à un BPD 1SSF étendu dans le substrat. Les images EL d'autres diodes PiN chargées sont présentées dans les figures 1 et 2. Vidéos. S3-S6 avec et sans zones sombres étendues (images EL variables dans le temps de diodes PiN sans injection de protons et implantées à 1 014 cm-2) sont également présentées dans les informations supplémentaires.
Images EL de diodes PiN à 25 A/cm2 après 2 heures de stress 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 expansé en calculant les zones sombres avec des bords clairs dans trois diodes PiN pour chaque condition, comme le montre la figure 5. La densité du 1SSF expansé diminue avec l'augmentation de la dose de protons, et même à une dose de 1012 cm-2, la densité du 1SSF expansé est nettement inférieure à celle d'une diode PiN non implantée.
Densités accrues de diodes SF PiN avec et sans implantation de protons après chargement avec un courant pulsé (chaque état comprenait trois diodes chargées).
Le raccourcissement de la durée de vie du porteur affecte également la suppression de l'expansion, et l'injection de protons réduit la durée de vie du porteur . Nous avons observé des durées de vie de porteurs dans une couche épitaxiale de 60 µm d'épaisseur avec des protons injectés de 1014 cm-2. À partir de la durée de vie initiale du porteur, bien que l'implant réduise la valeur à environ 10 %, un recuit ultérieur la rétablit à environ 50 %, comme le montre la figure S7. Par conséquent, la durée de vie du porteur, 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 du porteur supprime également la propagation des défauts d'empilement, les caractéristiques I-V, qui dépendent généralement de la durée de vie du porteur, ne présentent que des différences mineures entre les diodes injectées et non implantées. Par conséquent, nous pensons que l’ancrage de la PD joue un rôle dans l’inhibition de l’expansion du 1SSF.
Bien que SIMS n'ait pas détecté d'hydrogène après recuit à 1 600 °C, comme indiqué dans des études précédentes, nous avons observé l'effet de l'implantation de protons sur la suppression de l'expansion de 1SSF, comme le montrent les figures 1 et 4. 3, 4. Par conséquent, nous pensons que le PD est ancré par des atomes d'hydrogène de densité inférieure à la limite de détection du SIMS (2 × 1016 cm-3) ou des défauts ponctuels induits par l'implantation. Il convient de noter que nous n’avons pas confirmé d’augmentation de la résistance à l’état passant en raison de l’allongement de 1SSF après une charge de courant de pointe. Cela peut être dû à des contacts ohmiques imparfaits réalisés selon notre procédé, qui seront éliminés dans un futur proche.
En conclusion, nous avons développé une méthode de trempe pour étendre le BPD à 1SSF dans des diodes 4H-SiC PiN en utilisant l'implantation de protons avant la fabrication du dispositif. La détérioration de la caractéristique I – V lors de l'implantation de protons est insignifiante, en particulier à une dose de protons de 1 012 cm–2, mais l'effet de la suppression de l'expansion du 1SSF est significatif. Bien que dans cette étude nous ayons fabriqué des diodes PiN de 10 µm d’épaisseur avec implantation de protons jusqu’à une profondeur de 10 µm, il est toujours possible d’optimiser davantage les conditions d’implantation et de les appliquer pour fabriquer d’autres types de dispositifs 4H-SiC. Des coûts supplémentaires pour la fabrication du dispositif lors de l'implantation de protons doivent être pris en compte, mais ils seront similaires à ceux de l'implantation d'ions aluminium, qui est le principal processus de fabrication des dispositifs de puissance 4H-SiC. Ainsi, l’implantation de protons avant le traitement du dispositif est une méthode potentielle pour fabriquer des dispositifs de puissance bipolaire 4H-SiC sans dégénérescence.
Une plaquette de 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 a été utilisée comme échantillon. Avant de traiter le dispositif, des ions H+ ont été implantés dans la plaque avec une énergie d'accélération de 0,95 MeV à température ambiante jusqu'à une profondeur d'environ 10 µm selon un angle normal par rapport à la surface de la plaque. Lors de l'implantation de protons, un masque sur une plaque a été utilisé et la plaque comportait des sections sans et avec une dose de protons de 1 012, 1 014 ou 1 016 cm-2. Ensuite, des ions Al avec des doses de protons de 1 020 et 1 017 cm-3 ont été implantés sur toute la tranche à une profondeur de 0 à 0,2 µm et de 0,2 à 0,5 µm de la surface, suivi d'un recuit à 1 600 °C pour former une couche de carbone pour former une couche ap. -taper. Ensuite, un contact Ni sur la face arrière a été déposé sur le côté substrat, tandis qu'un contact face avant Ti / Al en forme de peigne de 2,0 mm × 2,0 mm formé par photolithographie et un processus de pelage a été déposé sur le côté de la couche épitaxiale. Enfin, un recuit de contact est effectué à une température de 700 °C. Après avoir découpé la plaquette en puces, nous avons effectué la caractérisation et l'application des contraintes.
Les caractéristiques I – V des diodes PiN fabriquées ont été observées à l'aide d'un analyseur de paramètres de semi-conducteur HP4155B. Comme contrainte électrique, un courant pulsé de 212,5 A/cm2 pendant 10 millisecondes a été introduit pendant 2 heures à une fréquence de 10 impulsions/s. Lorsque nous avons choisi une densité de courant ou une fréquence inférieure, nous n'avons pas observé d'expansion de 1SSF, même dans une diode PiN sans injection de protons. Pendant la tension électrique appliquée, la température de la diode PiN est d'environ 70 °C sans échauffement intentionnel, comme le montre la figure S8. Des images électroluminescentes ont été obtenues avant et après un stress électrique à une densité de courant de 25 A/cm2. Topographie de rayons X à incidence rasante par réflexion synchrotron utilisant un faisceau de rayons X monochromatique (λ = 0,15 nm) au Centre de rayonnement synchrotron d'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 direct 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. A partir de la valeur moyenne de la contrainte Vave et de l'écart type σ de la contrainte, on trace une courbe de distribution normale sous forme de pointillé sur la figure 2 à l'aide de l'équation suivante :
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Heure de publication : 06 novembre 2022
