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Le 4H-SiC a été commercialisé comme matériau pour les semi-conducteurs de puissance. Cependant, la fiabilité à long terme de ces dispositifs constitue un obstacle à leur large application, et le principal problème de fiabilité est la dégradation bipolaire. Cette dégradation est causée par la propagation d'un défaut d'empilement de Shockley unique (1SSF) de dislocations du plan basal dans les cristaux de 4H-SiC. Nous proposons ici une méthode permettant de supprimer l'expansion du 1SSF par implantation de protons sur des plaquettes épitaxiées de 4H-SiC. Les diodes PiN fabriquées sur des plaquettes avec implantation de protons présentent 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 avec implantation de protons. Ainsi, l'implantation de protons dans des plaquettes épitaxiées de 4H-SiC est une méthode efficace pour supprimer la dégradation bipolaire des semi-conducteurs de puissance 4H-SiC tout en préservant leurs performances. 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, capables de fonctionner dans des environnements difficiles1. Il existe de nombreux polytypes de SiC, parmi lesquels le 4H-SiC présente d'excellentes propriétés physiques, 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 semi-conducteurs de puissance3. Des systèmes de traction pour véhicules et trains électriques ont été fabriqués à partir de dispositifs semi-conducteurs de puissance 4H-SiC4.5. Cependant, les dispositifs 4H-SiC présentent encore des problèmes de fiabilité à long terme, tels que le claquage diélectrique ou la fiabilité en court-circuit6,7, dont l'un des 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 des dispositifs SiC.
La dégradation bipolaire est causée par un défaut d'empilement de Shockley unique (1SSF) dans les cristaux de 4H-SiC avec des dislocations du plan basal (BPD) se propageant par glissement de dislocations amélioré par recombinaison (REDG)12,13,14,15,16,17,18,19. Par conséquent, si l'expansion des BPD est réduite à 1SSF, des dispositifs de puissance en 4H-SiC peuvent être fabriqués sans dégradation bipolaire. Plusieurs méthodes ont été décrites pour supprimer la propagation des BPD, telles que la transformation de BPD en dislocation de bord de fil (TED)20,21,22,23,24. Dans les dernières plaquettes épitaxiées de SiC, les BPD sont principalement présentes dans le substrat et non dans la couche épitaxiale en raison de la conversion des BPD en TED lors de la phase initiale de croissance épitaxiale. Par conséquent, le problème restant de la dégradation bipolaire est la distribution des BPD dans le substrat25,26,27. L'insertion d'une « couche de renfort 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 la couche épitaxiale et le substrat SiC. La réduction du nombre de paires électron-trou réduit la force motrice de REDG vers le BPD dans le substrat, de sorte que la couche de renfort composite peut supprimer la dégradation bipolaire. Il convient de noter que l'insertion d'une couche entraîne des coûts supplémentaires lors de la production de plaquettes, et sans insertion de couche, il est difficile de réduire le nombre de paires électron-trou en contrôlant uniquement la durée de vie des porteurs. Par conséquent, il existe toujours un besoin important de développer d'autres méthodes de suppression afin d'obtenir un meilleur équilibre entre coût de fabrication des dispositifs et rendement.
Étant donné que l'extension de la BPD à 1SSF nécessite le déplacement de dislocations partielles (DP), l'ancrage de la DP est une approche prometteuse pour inhiber la dégradation bipolaire. Bien que l'ancrage des DP par des impuretés métalliques ait été signalé, les DP dans les substrats 4H-SiC sont situés à une distance de plus de 5 µm de la surface de la couche épitaxiale. De plus, le coefficient de diffusion de tout métal dans le SiC étant 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, des ions (protons) peuvent être implantés dans le 4H-SiC 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 l'ancrage des DP, elle peut être utilisée pour supprimer la propagation de la 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 des dispositifs1, 40, 41, 42. Bien que la spectrométrie de masse des ions secondaires (SIMS)43 ait signalé une diffusion d'hydrogène due au recuit à haute température, il est possible que seule la densité des atomes d'hydrogène près du FD ne soit pas suffisante pour détecter l'ancrage du PR à l'aide de la SIMS. Par conséquent, dans cette étude, nous avons implanté des protons dans des plaquettes 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 dispositif expérimentales et les avons fabriquées sur des plaquettes épitaxiales de 4H-SiC implantées de protons. Nous avons ensuite observé les caractéristiques volt-ampère pour étudier la dégradation des performances du dispositif due à l'injection de protons. Par la suite, nous avons observé l'expansion de 1SSF sur des 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 de 1SSF.
Français 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 redressement similaires aux diodes sans injection de protons, même si les caractéristiques IV sont communes 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 graphique statistique comme le montre la figure 2. La courbe approximée par une distribution normale est également représentée par une ligne pointillée. Comme on peut le voir d'après les pics 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. Français Nous avons également réalisé 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 1600 °C après 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 dans la Figure S2, il n'y a pas de différence significative entre les diodes avec et sans injection de protons.
Caractéristiques en volts-ampères des diodes PiN avec et sans injection de protons à température ambiante. La légende indique la dose de protons.
Fréquence de tension à courant continu : 2,5 A/cm² pour les diodes PiN avec protons injectés et non injectés. La ligne pointillée correspond à la distribution normale.
La figure 3 montre une image EL d'une diode PiN avec une densité de courant de 25 A/cm² après tension. Avant l'application de la charge de courant pulsé, les zones sombres de la diode n'étaient pas observées, comme le montre la figure 3.C2. Cependant, comme le montre la figure 3a, dans une diode PiN sans implantation de protons, plusieurs zones sombres en bandes avec des bords clairs ont été observées après application d'une tension électrique. De telles zones sombres en forme de bâtonnets sont observées sur les images EL pour 1SSF s'étendant depuis le BPD dans le substrat28,29. En revanche, des défauts d'empilement étendus ont été observés dans les diodes PiN avec protons implantés, comme le montrent les figures 3b–d. Français 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 dans la diode PiN sans injection de protons (Fig. 4 : cette image sans retirer l'électrode supérieure (photographiée, le PR sous les électrodes n'est pas visible). Par conséquent, la zone sombre dans 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. Les 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 1014 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 de 1SSF expansé en calculant les zones sombres avec des bords brillants dans trois diodes PiN pour chaque condition, comme indiqué dans la figure 5. La densité de 1SSF expansé diminue avec l'augmentation de la dose de protons, et même à une dose de 1012 cm-2, la densité de 1SSF expansé est significativement inférieure à celle d'une diode PiN non implantée.
Augmentation des densités de diodes SF PiN avec et sans implantation de protons après chargement avec un courant pulsé (chaque état comprenait trois diodes chargées).
La réduction de la durée de vie des porteurs affecte également la suppression de l'expansion, et l'injection de protons réduit la durée de vie des porteurs32,36. Nous avons observé des durées de vie des 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 des porteurs, bien que l'implantation 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 des porteurs, réduite en raison de l'implantation de protons, est restaurée par un 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 présentent 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 1SSF.
Bien que SIMS n'ait pas détecté d'hydrogène après recuit à 1600 °C, comme indiqué dans des études précédentes, nous avons observé l'effet de l'implantation de protons sur la suppression de l'expansion du 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 dont la densité est inférieure à la limite de détection du SIMS (2 × 1016 cm-3) ou par 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 due à l'allongement du 1SSF après une charge de courant de pointe. Cela peut être dû à des contacts ohmiques imparfaits réalisés à l'aide de notre procédé, qui seront éliminés dans un avenir proche.
En conclusion, nous avons développé une méthode d'extinction permettant d'étendre la BPD à 1SSF dans les diodes PiN 4H-SiC par implantation protonique avant la fabrication du dispositif. La détérioration de la caractéristique I–V lors de l'implantation protonique est négligeable, notamment 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 ayons fabriqué des diodes PiN de 10 µm d'épaisseur avec implantation protonique à une profondeur de 10 µm, il est encore possible d'optimiser davantage les conditions d'implantation et de les appliquer à la fabrication d'autres types de dispositifs 4H-SiC. Les coûts supplémentaires liés à la fabrication des dispositifs lors de l'implantation protonique doivent être pris en compte, mais ils seront similaires à ceux de l'implantation ionique aluminium, principal procédé de fabrication des dispositifs de puissance 4H-SiC. Ainsi, l'implantation protonique avant le traitement du dispositif est une méthode potentielle pour fabriquer des dispositifs de puissance bipolaires 4H-SiC sans dégénérescence.
Une plaquette de 4H-SiC de type n de 4 pouces, présentant 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 le traitement du 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, perpendiculairement à la surface de la plaque. Lors de l'implantation de protons, un masque a été utilisé sur une plaque, dont les sections étaient dépourvues et soumises à une dose de protons de 1012, 1014 ou 1016 cm-2. Français Ensuite, des ions Al avec des doses de protons de 1020 et 1017 cm–3 ont été implantés sur l'ensemble de la plaquette jusqu'à une profondeur de 0 à 0,2 µm et de 0,2 à 0,5 µm de la surface, suivis d'un recuit à 1600 °C pour former une calotte de carbone afin de former une couche p. -type. Par la suite, un contact Ni face arrière a été déposé côté substrat, tandis qu'un contact Ti/Al en forme de peigne de 2,0 mm × 2,0 mm face avant formé par photolithographie et un processus de pelage a été déposé côté 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 une caractérisation et une application des contraintes.
Les caractéristiques I–V des diodes PiN fabriquées ont été observées à l'aide d'un analyseur de paramètres de semi-conducteurs 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. En choisissant une densité ou une fréquence de courant plus faible, nous n'avons pas observé d'expansion 1SSF, même dans une diode PiN sans injection de protons. Sous tension électrique appliquée, la température de la diode PiN est d'environ 70 °C sans chauffage intentionnel, comme le montre la figure S8. Des images électroluminescentes ont été obtenues avant et après contrainte électrique à une densité de courant de 25 A/cm². Topographie des rayons X par réflexion synchrotron en incidence rasante utilisant un faisceau de rayons X monochromatique (λ = 0,15 nm) au Centre de rayonnement synchrotron d'Aichi, le vecteur ag dans BL8S2 est de -1-128 ou 11-28 (voir la référence 44 pour plus de détails).
La fréquence de tension pour une densité de courant direct de 2,5 A/cm² est extraite avec un intervalle de 0,5 V sur la figure 2, en fonction du CVC de chaque état de la diode PiN. À partir de la valeur moyenne de la contrainte Vave et de l'écart type σ de cette contrainte, nous traçons une courbe de distribution normale en pointillés sur la figure 2, selon l'équation suivante :
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Date de publication : 6 novembre 2022
