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4H-SIC को पावर सेमीकंडक्टर उपकरणों के लिए एक सामग्री के रूप में व्यवसायीकरण किया गया है। हालांकि, 4H-SIC उपकरणों की दीर्घकालिक विश्वसनीयता उनके व्यापक अनुप्रयोग के लिए एक बाधा है, और 4H-SIC उपकरणों की सबसे महत्वपूर्ण विश्वसनीयता समस्या द्विध्रुवी गिरावट है। यह गिरावट 4H-SIC क्रिस्टल में बेसल विमान अव्यवस्थाओं के एक एकल शॉक्ले स्टैकिंग फॉल्ट (1SSF) प्रसार के कारण होती है। यहां, हम 4H-SIC एपिटैक्सियल वेफर्स पर प्रोटॉन को प्रत्यारोपित करके 1SSF विस्तार को दबाने के लिए एक विधि का प्रस्ताव करते हैं। प्रोटॉन आरोपण के साथ वेफर्स पर गढ़े गए पिन डायोड ने प्रोटॉन आरोपण के बिना डायोड के समान वर्तमान-वोल्टेज विशेषताओं को दिखाया। इसके विपरीत, 1SSF विस्तार को प्रभावी रूप से प्रोटॉन-प्रत्यारोपित पिन डायोड में दबा दिया जाता है। इस प्रकार, 4H-SIC एपिटैक्सियल वेफर्स में प्रोटॉन का आरोपण डिवाइस के प्रदर्शन को बनाए रखते हुए 4H-SIC पावर सेमीकंडक्टर उपकरणों के द्विध्रुवी गिरावट को दबाने के लिए एक प्रभावी तरीका है। यह परिणाम अत्यधिक विश्वसनीय 4H-SIC उपकरणों के विकास में योगदान देता है।
सिलिकॉन कार्बाइड (एसआईसी) को व्यापक रूप से उच्च-शक्ति, उच्च-आवृत्ति अर्धचालक उपकरणों के लिए एक अर्धचालक सामग्री के रूप में मान्यता प्राप्त है जो कठोर वातावरण 1 में काम कर सकते हैं। कई SIC पॉलीटाइप हैं, जिनमें से 4H-SIC में उत्कृष्ट अर्धचालक डिवाइस भौतिक गुण हैं जैसे कि उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता और मजबूत ब्रेकडाउन इलेक्ट्रिक फील्ड 2। 6 इंच के व्यास वाले 4H-SIC वेफर्स को वर्तमान में व्यवसायीकरण किया जाता है और इसका उपयोग पावर सेमीकंडक्टर डिवाइसेस 3 के बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए किया जाता है। इलेक्ट्रिक वाहनों और ट्रेनों के लिए कर्षण प्रणाली को 4H-SIC4.5 पावर सेमीकंडक्टर उपकरणों का उपयोग करके गढ़ा गया था। हालांकि, 4H-SIC डिवाइस अभी भी ढांकता हुआ ब्रेकडाउन या शॉर्ट-सर्किट विश्वसनीयता जैसे दीर्घकालिक विश्वसनीयता के मुद्दों से पीड़ित हैं, जिनमें से 6,7 सबसे महत्वपूर्ण विश्वसनीयता के मुद्दों में से एक द्विध्रुवी गिरावट 2,8,9,10,11 है। यह द्विध्रुवी गिरावट 20 साल पहले की खोज की गई थी और लंबे समय से SIC डिवाइस निर्माण में एक समस्या रही है।
द्विध्रुवी गिरावट 4H-SIC क्रिस्टल में एक एकल शॉक्ले स्टैक दोष (1SSF) के कारण होती है, जिसमें बेसल विमान अव्यवस्था (BPDs) के साथ पुनर्संयोजन बढ़ाया अव्यवस्था ग्लाइड (REDG) 12,13,14,15,16,17,18,19 का प्रचार किया जाता है। इसलिए, यदि BPD विस्तार को 1SSF में दबा दिया जाता है, तो 4H-SIC बिजली उपकरणों को द्विध्रुवी गिरावट के बिना गढ़ा जा सकता है। बीपीडी प्रसार को दबाने के लिए कई तरीकों की सूचना दी गई है, जैसे कि बीपीडी टू थ्रेड एज डिस्लोकेशन (टीईडी) परिवर्तन 20,21,22,23,24। नवीनतम SIC एपिटैक्सियल वेफर्स में, BPD मुख्य रूप से सब्सट्रेट में मौजूद है और एपिटैक्सियल ग्रोथ के प्रारंभिक चरण के दौरान TED में BPD के रूपांतरण के कारण एपिटैक्सियल परत में नहीं है। इसलिए, द्विध्रुवी गिरावट की शेष समस्या सब्सट्रेट 25,26,27 में बीपीडी का वितरण है। बहाव परत और सब्सट्रेट के बीच एक "समग्र सुदृढीकरण परत" के सम्मिलन को सब्सट्रेट 28, 29, 30, 31 में बीपीडी विस्तार को दबाने के लिए एक प्रभावी विधि के रूप में प्रस्तावित किया गया है। यह परत एपिटैक्सियल लेयर और एसआईसी सब्सट्रेट में इलेक्ट्रॉन-होल जोड़ी पुनर्संयोजन की संभावना को बढ़ाती है। इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े की संख्या को कम करने से सब्सट्रेट में BPD के लिए REDG की ड्राइविंग बल को कम कर देता है, इसलिए समग्र सुदृढीकरण परत द्विध्रुवी गिरावट को दबा सकती है। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि एक परत का सम्मिलन वेफर्स के उत्पादन में अतिरिक्त लागत को बढ़ाता है, और एक परत के सम्मिलन के बिना केवल वाहक जीवनकाल के नियंत्रण को नियंत्रित करके इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े की संख्या को कम करना मुश्किल है। इसलिए, डिवाइस निर्माण लागत और उपज के बीच एक बेहतर संतुलन प्राप्त करने के लिए अन्य दमन विधियों को विकसित करने के लिए अभी भी एक मजबूत आवश्यकता है।
क्योंकि बीपीडी के 1SSF के विस्तार के लिए आंशिक अव्यवस्थाओं (पीडीएस) के आंदोलन की आवश्यकता होती है, पीडी को पिन करना द्विध्रुवी गिरावट को रोकने के लिए एक आशाजनक दृष्टिकोण है। यद्यपि धातु अशुद्धियों द्वारा पीडी पिनिंग की सूचना दी गई है, 4H-SIC सब्सट्रेट में FPDs एपिटैक्सियल परत की सतह से 5 माइक्रोन से अधिक की दूरी पर स्थित हैं। इसके अलावा, चूंकि SIC में किसी भी धातु का प्रसार गुणांक बहुत छोटा है, इसलिए धातु की अशुद्धियों के लिए सब्सट्रेट 34 में फैलाना मुश्किल है। धातुओं के अपेक्षाकृत बड़े परमाणु द्रव्यमान के कारण, धातुओं का आयन आरोपण भी मुश्किल है। इसके विपरीत, हाइड्रोजन के मामले में, सबसे हल्का तत्व, आयनों (प्रोटॉन) को 4H-SIC में MEV- क्लास एक्सेलेरेटर का उपयोग करके 10 माइक्रोन से अधिक की गहराई तक प्रत्यारोपित किया जा सकता है। इसलिए, यदि प्रोटॉन आरोपण पीडी पिनिंग को प्रभावित करता है, तो इसका उपयोग सब्सट्रेट में बीपीडी प्रसार को दबाने के लिए किया जा सकता है। हालांकि, प्रोटॉन आरोपण 4H-SIC को नुकसान पहुंचा सकता है और परिणाम कम डिवाइस प्रदर्शन 37,38,39,40 है।
प्रोटॉन आरोपण के कारण डिवाइस की गिरावट को दूर करने के लिए, उच्च-तापमान एनीलिंग का उपयोग क्षति की मरम्मत के लिए किया जाता है, आमतौर पर डिवाइस प्रोसेसिंग 1, 40, 41, 42 में स्वीकर्ता आयन प्रत्यारोपण के बाद उपयोग की जाने वाली एनीलिंग विधि के समान है। हालांकि माध्यमिक आयन स्पेक्ट्रोमेट्री (सिम्स) 43 ने हाइड्रोजन के लिए हाइड्रोजन के कारण हाइड्रोजन प्रसार की सूचना दी है, यह संभव है कि यह संभव है कि यह संभव है कि पीआर सिम का उपयोग कर। इसलिए, इस अध्ययन में, हमने डिवाइस निर्माण प्रक्रिया से पहले 4H-SIC एपिटैक्सियल वेफर्स में प्रोटॉन को प्रत्यारोपित किया, जिसमें उच्च तापमान एनीलिंग भी शामिल है। हमने प्रायोगिक डिवाइस संरचनाओं के रूप में पिन डायोड का उपयोग किया और उन्हें प्रोटॉन-इम्प्लांटेड 4H-SIC एपिटैक्सियल वेफर्स पर गढ़ा। हमने तब प्रोटॉन इंजेक्शन के कारण डिवाइस के प्रदर्शन के क्षरण का अध्ययन करने के लिए वोल्ट-एम्पीयर विशेषताओं का अवलोकन किया। इसके बाद, हमने पिन डायोड में एक विद्युत वोल्टेज लागू करने के बाद इलेक्ट्रोल्यूमिनेसेंस (ईएल) छवियों में 1SSF के विस्तार का अवलोकन किया। अंत में, हमने 1SSF विस्तार के दमन पर प्रोटॉन इंजेक्शन के प्रभाव की पुष्टि की।
अंजीर पर। चित्रा 1 स्पंदित वर्तमान से पहले प्रोटॉन आरोपण के साथ और बिना क्षेत्रों में कमरे के तापमान पर पिन डायोड की वर्तमान -वोल्टेज विशेषताओं (सीवीसी) को दर्शाता है। प्रोटॉन इंजेक्शन के साथ पिन डायोड प्रोटॉन इंजेक्शन के बिना डायोड के समान सुधार विशेषताओं को दिखाते हैं, भले ही IV विशेषताओं को डायोड के बीच साझा किया जाता है। इंजेक्शन स्थितियों के बीच अंतर को इंगित करने के लिए, हमने चित्रा 2 में दिखाए गए अनुसार एक सांख्यिकीय भूखंड के रूप में 2.5 ए/सेमी 2 (100 एमए के अनुरूप) के आगे के घनत्व पर वोल्टेज आवृत्ति को प्लॉट किया। एक सामान्य वितरण द्वारा अनुमानित वक्र भी एक डॉटेड लाइन द्वारा दर्शाया गया है। रेखा। जैसा कि घटता की चोटियों से देखा जा सकता है, 1014 और 1016 सेमी -2 की प्रोटॉन खुराक पर ऑन-रेसिस्टेंस थोड़ा बढ़ जाता है, जबकि 1012 सेमी -2 की प्रोटॉन खुराक के साथ पिन डायोड प्रोटॉन आरोपण के बिना लगभग समान विशेषताओं को दर्शाता है। हमने पिन डायोड के निर्माण के बाद प्रोटॉन आरोपण भी किया, जो कि प्रोटॉन आरोपण के कारण होने वाले नुकसान के कारण समान इलेक्ट्रोल्यूमिनेसेंस का प्रदर्शन नहीं करता था जैसा कि चित्र S1 में दिखाया गया है जैसा कि पिछले अध्ययनों में वर्णित है 37,38,39 में वर्णित है। इसलिए, अल आयनों के आरोपण के बाद 1600 डिग्री सेल्सियस पर एनीलिंग एएल स्वीकर्ता को सक्रिय करने के लिए उपकरणों को गढ़ने के लिए एक आवश्यक प्रक्रिया है, जो प्रोटॉन आरोपण के कारण होने वाले नुकसान की मरम्मत कर सकता है, जो सीवीसी को प्रत्यारोपित और गैर-प्रत्यारोपित प्रोटॉन पिन डायोड के बीच समान बनाता है। -5 V पर रिवर्स वर्तमान आवृत्ति भी चित्रा S2 में प्रस्तुत की गई है, प्रोटॉन इंजेक्शन के साथ और बिना डायोड के बीच कोई महत्वपूर्ण अंतर नहीं है।
कमरे के तापमान पर प्रोटॉन के साथ और बिना पिन डायोड की वोल्ट-एम्पीयर विशेषताएं। किंवदंती प्रोटॉन की खुराक को इंगित करती है।
इंजेक्शन और गैर-अंतर्निहित प्रोटॉन के साथ पिन डायोड के लिए प्रत्यक्ष वर्तमान 2.5 ए/सेमी 2 पर वोल्टेज आवृत्ति। बिंदीदार रेखा सामान्य वितरण से मेल खाती है।
अंजीर पर। 3 वोल्टेज के बाद 25 ए/सेमी 2 के वर्तमान घनत्व के साथ एक पिन डायोड की एक एल छवि दिखाता है। स्पंदित वर्तमान लोड को लागू करने से पहले, डायोड के अंधेरे क्षेत्रों को नहीं देखा गया था, जैसा कि चित्र 3 में दिखाया गया है। C2। हालांकि, जैसा चित्र में दिखाया गया है। 3 ए, प्रोटॉन आरोपण के बिना एक पिन डायोड में, बिजली के वोल्टेज को लागू करने के बाद हल्के किनारों वाले कई अंधेरे धारीदार क्षेत्रों को देखा गया था। इस तरह के रॉड के आकार के अंधेरे क्षेत्र सब्सट्रेट 28,29 में बीपीडी से फैले 1SSF के लिए ईएल छवियों में देखे जाते हैं। इसके बजाय, कुछ विस्तारित स्टैकिंग दोष प्रत्यारोपित प्रोटॉन के साथ पिन डायोड में देखे गए, जैसा कि अंजीर में दिखाया गया है। 3 बी -डी। एक्स-रे टॉपोग्राफी का उपयोग करते हुए, हमने पीआरएस की उपस्थिति की पुष्टि की जो कि प्रोटॉन इंजेक्शन के बिना पिन डायोड में संपर्कों की परिधि में बीपीडी से सब्सट्रेट तक ले जा सकती है (छवि 4: शीर्ष इलेक्ट्रोड को हटाने के बिना यह छवि (इलेक्ट्रोड, पीआर दिखाई नहीं दे रही है)। आंकड़े 1 और 2 में दिखाया गया है। वीडियो S3-S6 के साथ और बिना विस्तारित अंधेरे क्षेत्रों (प्रोटॉन इंजेक्शन के बिना पिन डायोड की समय-अलग-अलग एल छवियां और 1014 सेमी -2 पर प्रत्यारोपित) भी पूरक जानकारी में दिखाए गए हैं।
प्रोटॉन आरोपण के 2 घंटे के बाद 2 घंटे के बाद 25 ए/सेमी 2 पर पिन डायोड की एल छवियां और (बी) 1012 सेमी -2, (सी) 1014 सेमी -2 और (डी) 1016 सेमी -2 प्रोटॉन के प्रत्यारोपित खुराक के साथ।
हमने प्रत्येक स्थिति के लिए तीन पिन डायोड में उज्ज्वल किनारों के साथ अंधेरे क्षेत्रों की गणना करके विस्तारित 1SSF के घनत्व की गणना की, जैसा कि चित्र 5 में दिखाया गया है। विस्तारित 1SSF का घनत्व बढ़ती प्रोटॉन खुराक के साथ कम हो जाता है, और यहां तक कि 1012 सेमी -2 की खुराक पर भी, एक गैर-आईएमएमपीएलएनडी पिन डोड की तुलना में विस्तारित 1SSF का घनत्व कम है।
स्पंदित करंट के साथ लोड करने के बाद प्रोटॉन आरोपण के साथ और बिना एसएफ पिन डायोड की बढ़ी हुई घनत्व (प्रत्येक राज्य में तीन लोड किए गए डायोड शामिल थे)।
वाहक जीवनकाल को छोटा करना भी विस्तार दमन को प्रभावित करता है, और प्रोटॉन इंजेक्शन वाहक LifeTime32,36 को कम करता है। हमने 1014 सेमी -2 के इंजेक्शन प्रोटॉन के साथ 60 माइक्रोन मोटी एक एपिटैक्सियल परत में वाहक जीवनकाल का अवलोकन किया है। प्रारंभिक वाहक जीवनकाल से, हालांकि प्रत्यारोपण मूल्य को ~ 10%तक कम कर देता है, बाद में annealing इसे ~ 50%तक पुनर्स्थापित करता है, जैसा कि अंजीर में दिखाया गया है। S7। इसलिए, प्रोटॉन आरोपण के कारण कम किया गया वाहक जीवनकाल, उच्च तापमान एनीलिंग द्वारा बहाल किया जाता है। यद्यपि वाहक जीवन में 50% की कमी भी स्टैकिंग दोषों के प्रसार को दबा देती है, I-V विशेषताएं, जो आमतौर पर वाहक जीवन पर निर्भर होती हैं, इंजेक्शन और गैर-प्रत्यारोपित डायोड के बीच केवल मामूली अंतर दिखाती हैं। इसलिए, हम मानते हैं कि पीडी एंकरिंग 1SSF विस्तार को बाधित करने में एक भूमिका निभाता है।
यद्यपि सिम्स ने 1600 डिग्री सेल्सियस पर एनीलिंग के बाद हाइड्रोजन का पता नहीं लगाया, जैसा कि पिछले अध्ययनों में बताया गया है, हमने 1SSF विस्तार के दमन पर प्रोटॉन आरोपण के प्रभाव को देखा, जैसा कि आंकड़े 1 और 4। 3, 4 में दिखाया गया है। इसलिए, हम मानते हैं कि पीडी हाइड्रोजन परमाणुओं द्वारा सिम्स (2 × 1016 के लिए घनत्व की सीमा से नीचे की सीमा के साथ लंगर डाले हुए हैं)। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि हमने 1SSF के बढ़ाव के कारण ऑन-स्टेट प्रतिरोध में वृद्धि की पुष्टि नहीं की है। यह हमारी प्रक्रिया का उपयोग करके किए गए अपूर्ण ओमिक संपर्कों के कारण हो सकता है, जिसे निकट भविष्य में समाप्त कर दिया जाएगा।
अंत में, हमने डिवाइस निर्माण से पहले प्रोटॉन आरोपण का उपयोग करके 4H-SIC पिन डायोड में BPD को 1SSF तक बढ़ाने के लिए एक शमन विधि विकसित की। प्रोटॉन आरोपण के दौरान I -V विशेषता का बिगड़ना महत्वहीन है, विशेष रूप से 1012 सेमी -2 की प्रोटॉन खुराक पर, लेकिन 1SSF विस्तार को दबाने का प्रभाव महत्वपूर्ण है। यद्यपि इस अध्ययन में हमने 10 माइक्रोन के साथ 10 माइक्रोन मोटी पिन डायोड को 10 माइक्रोन की गहराई तक गढ़ा दिया, फिर भी आरोपण की स्थिति को और अधिक अनुकूलित करना और अन्य प्रकार के 4H-SIC उपकरणों को गढ़ने के लिए लागू करना संभव है। प्रोटॉन आरोपण के दौरान डिवाइस निर्माण के लिए अतिरिक्त लागत पर विचार किया जाना चाहिए, लेकिन वे एल्यूमीनियम आयन आरोपण के लिए समान होंगे, जो 4H-SIC बिजली उपकरणों के लिए मुख्य निर्माण प्रक्रिया है। इस प्रकार, डिवाइस प्रसंस्करण से पहले प्रोटॉन आरोपण 4H-SIC द्विध्रुवी बिजली उपकरणों को अध: पतन के बिना बनाने के लिए एक संभावित विधि है।
10 माइक्रोन की एपिटैक्सियल लेयर मोटाई के साथ 4-इंच एन-टाइप 4H-SIC वेफर और 1 × 1016 सेमी -3 के एक दाता डोपिंग एकाग्रता का उपयोग एक नमूने के रूप में किया गया था। डिवाइस को संसाधित करने से पहले, H+ आयनों को प्लेट में 0.95 meV की त्वरण ऊर्जा के साथ प्लेट में प्रत्यारोपित किया गया था, जो प्लेट की सतह पर एक सामान्य कोण पर लगभग 10 माइक्रोन की गहराई तक था। प्रोटॉन आरोपण के दौरान, एक प्लेट पर एक मास्क का उपयोग किया गया था, और प्लेट में 1012, 1014 या 1016 सेमी -2 की प्रोटॉन खुराक के बिना और बिना खंड थे। फिर, 1020 और 1017 सेमी -3 की प्रोटॉन खुराक के साथ अल आयनों को सतह से 0-0.2 माइक्रोन और 0.2-0.5 माइक्रोन की गहराई तक पूरे वेफर पर प्रत्यारोपित किया गया, इसके बाद एपी लेयर बनाने के लिए कार्बन कैप बनाने के लिए 1600 डिग्री सेल्सियस पर एनीलिंग की गई। -प्रकार। इसके बाद, एक बैक साइड नी संपर्क सब्सट्रेट साइड पर जमा किया गया था, जबकि फोटोलिथोग्राफी द्वारा गठित 2.0 मिमी × 2.0 मिमी कंघी के आकार का टीआई/अल फ्रंट साइड संपर्क और एक छील प्रक्रिया को एपिटैक्सियल लेयर साइड पर जमा किया गया था। अंत में, संपर्क एनीलिंग 700 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर किया जाता है। चिप्स में वेफर को काटने के बाद, हमने तनाव लक्षण वर्णन और अनुप्रयोग किया।
गढ़े हुए पिन डायोड की I -V विशेषताओं को HP4155B सेमीकंडक्टर पैरामीटर विश्लेषक का उपयोग करके देखा गया था। एक विद्युत तनाव के रूप में, 10-मिलीसेकंड 212.5 ए/सेमी 2 की धमाकेदार धारा 10 दालों/सेकंड की आवृत्ति पर 2 घंटे के लिए पेश की गई थी। जब हमने एक कम वर्तमान घनत्व या आवृत्ति को चुना, तो हमने प्रोटॉन इंजेक्शन के बिना एक पिन डायोड में भी 1SSF विस्तार का निरीक्षण नहीं किया। लागू विद्युत वोल्टेज के दौरान, पिन डायोड का तापमान जानबूझकर हीटिंग के बिना लगभग 70 डिग्री सेल्सियस होता है, जैसा कि चित्र S8 में दिखाया गया है। 25 ए/सेमी 2 के वर्तमान घनत्व पर विद्युत तनाव से पहले और बाद में इलेक्ट्रोल्यूमिनसेंट छवियां प्राप्त की गईं। सिंक्रोट्रॉन रिफ्लेक्शन चराई घटना एक्स-रे स्थलाकृति एक मोनोक्रोमैटिक एक्स-रे बीम (λ = 0.15 एनएम) का उपयोग करके ऐची सिंक्रोट्रॉन विकिरण केंद्र में, बीएल 8 एस 2 में एजी वेक्टर -1-128 या 11-28 (विवरण के लिए रेफरी 44 देखें) है। )।
2.5 ए/सेमी 2 के आगे वर्तमान घनत्व पर वोल्टेज आवृत्ति को एफआईजी में 0.5 वी के अंतराल के साथ निकाला जाता है। 2 पिन डायोड के प्रत्येक राज्य के सीवीसी के अनुसार। तनाव vave के औसत मूल्य और तनाव के मानक विचलन σ से, हम निम्नलिखित समीकरण का उपयोग करके चित्रा 2 में एक बिंदीदार रेखा के रूप में एक सामान्य वितरण वक्र की साजिश करते हैं:
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पोस्ट टाइम: NOV-06-2022
