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4H-SiC को पावर सेमीकंडक्टर उपकरणों के लिए एक सामग्री के रूप में व्यावसायीकृत किया गया है। हालाँकि, 4H-SiC उपकरणों की दीर्घकालिक विश्वसनीयता उनके व्यापक अनुप्रयोग में एक बाधा है, और 4H-SiC उपकरणों की सबसे महत्वपूर्ण विश्वसनीयता समस्या द्विध्रुवीय गिरावट है। यह गिरावट 4H-SiC क्रिस्टल में बेसल प्लेन डिस्लोकेशन के एकल शॉकली स्टैकिंग फॉल्ट (1SSF) प्रसार के कारण होती है। यहाँ, हम 4H-SiC एपिटैक्सियल वेफ़र्स पर प्रोटॉन प्रत्यारोपित करके 1SSF विस्तार को दबाने के लिए एक विधि का प्रस्ताव करते हैं। प्रोटॉन प्रत्यारोपण के साथ वेफ़र्स पर निर्मित PiN डायोड ने बिना प्रोटॉन प्रत्यारोपण के डायोड के समान ही करंट-वोल्टेज विशेषताएँ दिखाईं। इसके विपरीत, प्रोटॉन-प्रत्यारोपित PiN डायोड में 1SSF विस्तार को प्रभावी ढंग से दबा दिया जाता है। इस प्रकार, 4H-SiC एपिटैक्सियल वेफ़र्स में प्रोटॉन का प्रत्यारोपण 4H-SiC पावर सेमीकंडक्टर डिवाइस के द्विध्रुवीय क्षरण को दबाने के लिए एक प्रभावी तरीका है, जबकि डिवाइस का प्रदर्शन बनाए रखा जाता है। यह परिणाम अत्यधिक विश्वसनीय 4H-SiC डिवाइस के विकास में योगदान देता है।
सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) को उच्च-शक्ति, उच्च-आवृत्ति वाले अर्धचालक उपकरणों के लिए अर्धचालक सामग्री के रूप में व्यापक रूप से मान्यता प्राप्त है जो कठोर वातावरण में काम कर सकते हैं1। कई SiC पॉलीटाइप हैं, जिनमें से 4H-SiC में उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता और मजबूत ब्रेकडाउन इलेक्ट्रिक फ़ील्ड2 जैसे उत्कृष्ट अर्धचालक उपकरण भौतिक गुण हैं। 6 इंच व्यास वाले 4H-SiC वेफ़र्स का वर्तमान में व्यवसायीकरण किया जाता है और पावर सेमीकंडक्टर उपकरणों3 के बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए उपयोग किया जाता है। इलेक्ट्रिक वाहनों और ट्रेनों के लिए ट्रैक्शन सिस्टम 4H-SiC4.5 पावर सेमीकंडक्टर उपकरणों का उपयोग करके बनाए गए थे। हालाँकि, 4H-SiC डिवाइस अभी भी डाइइलेक्ट्रिक ब्रेकडाउन या शॉर्ट-सर्किट विश्वसनीयता जैसे दीर्घकालिक विश्वसनीयता मुद्दों से ग्रस्त हैं,6,7 जिनमें से सबसे महत्वपूर्ण विश्वसनीयता मुद्दों में से एक द्विध्रुवीय गिरावट2,8,9,10,11 है। इस द्विध्रुवीय गिरावट की खोज 20 साल पहले की गई थी और यह लंबे समय से SiC डिवाइस निर्माण में एक समस्या रही है।
द्विध्रुवीय गिरावट 4H-SiC क्रिस्टल में एकल शॉकली स्टैक दोष (1SSF) के कारण होती है, जिसमें बेसल प्लेन डिस्लोकेशन (BPDs) पुनर्संयोजन संवर्धित अव्यवस्था ग्लाइड (REDG)12,13,14,15,16,17,18,19 द्वारा प्रसारित होता है। इसलिए, यदि BPD विस्तार को 1SSF तक दबा दिया जाता है, तो 4H-SiC पावर डिवाइस द्विध्रुवीय गिरावट के बिना निर्मित किए जा सकते हैं। BPD प्रसार को दबाने के लिए कई तरीके बताए गए हैं, जैसे BPD से थ्रेड एज डिस्लोकेशन (TED) परिवर्तन 20,21,22,23,24। नवीनतम SiC एपिटैक्सियल वेफ़र्स में, BPD मुख्य रूप से सब्सट्रेट में मौजूद होता है और एपिटैक्सियल परत में नहीं होता है, क्योंकि एपिटैक्सियल विकास के प्रारंभिक चरण के दौरान BPD का TED में रूपांतरण होता है। इसलिए, द्विध्रुवीय गिरावट की शेष समस्या सब्सट्रेट में BPD का वितरण 25,26,27 है। ड्रिफ्ट परत और सब्सट्रेट के बीच एक "संयुक्त सुदृढ़ीकरण परत" का सम्मिलन सब्सट्रेट में BPD विस्तार को दबाने के लिए एक प्रभावी विधि के रूप में प्रस्तावित किया गया है28, 29, 30, 31। यह परत एपिटैक्सियल परत और SiC सब्सट्रेट में इलेक्ट्रॉन-होल जोड़ी पुनर्संयोजन की संभावना को बढ़ाती है। इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े की संख्या कम करने से सब्सट्रेट में REDG से BPD की ड्राइविंग शक्ति कम हो जाती है, इसलिए संयुक्त सुदृढ़ीकरण परत द्विध्रुवीय गिरावट को दबा सकती है। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि एक परत के सम्मिलन से वेफर्स के उत्पादन में अतिरिक्त लागत आती है, और एक परत के सम्मिलन के बिना केवल वाहक जीवनकाल के नियंत्रण को नियंत्रित करके इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े की संख्या को कम करना मुश्किल है। इसलिए, डिवाइस निर्माण लागत और उपज के बीच बेहतर संतुलन हासिल करने के लिए अन्य दमन विधियों को विकसित करने की अभी भी एक मजबूत आवश्यकता है।
क्योंकि BPD को 1SSF तक विस्तारित करने के लिए आंशिक अव्यवस्थाओं (PDs) की गति की आवश्यकता होती है, PD को पिन करना द्विध्रुवीय क्षरण को रोकने के लिए एक आशाजनक दृष्टिकोण है। यद्यपि धातु अशुद्धियों द्वारा PD पिनिंग की सूचना दी गई है, 4H-SiC सबस्ट्रेट्स में FPDs एपिटैक्सियल परत की सतह से 5 µm से अधिक की दूरी पर स्थित हैं। इसके अलावा, चूंकि SiC में किसी भी धातु का विसरण गुणांक बहुत छोटा है, इसलिए धातु की अशुद्धियों का सब्सट्रेट में विसरित होना मुश्किल है34। धातुओं के अपेक्षाकृत बड़े परमाणु द्रव्यमान के कारण, धातुओं का आयन आरोपण भी मुश्किल है। इसके विपरीत, सबसे हल्के तत्व हाइड्रोजन के मामले में, आयनों (प्रोटॉन) को MeV-श्रेणी त्वरक का उपयोग करके 4H-SiC में 10 µm से अधिक की गहराई तक प्रत्यारोपित किया जा सकता है हालाँकि, प्रोटॉन प्रत्यारोपण 4H-SiC को नुकसान पहुंचा सकता है और इसके परिणामस्वरूप डिवाइस का प्रदर्शन कम हो सकता है37,38,39,40।
प्रोटॉन आरोपण के कारण उपकरण के क्षरण को दूर करने के लिए, क्षति की मरम्मत के लिए उच्च तापमान एनीलिंग का उपयोग किया जाता है, जो उपकरण प्रसंस्करण1, 40, 41, 42 में स्वीकर्ता आयन आरोपण के बाद सामान्यतः उपयोग की जाने वाली एनीलिंग विधि के समान है। यद्यपि द्वितीयक आयन द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमेट्री (SIMS)43 ने उच्च तापमान एनीलिंग के कारण हाइड्रोजन प्रसार की सूचना दी है, यह संभव है कि केवल FD के पास हाइड्रोजन परमाणुओं का घनत्व SIMS का उपयोग करके PR की पिनिंग का पता लगाने के लिए पर्याप्त नहीं है। इसलिए, इस अध्ययन में, हमने उच्च तापमान एनीलिंग सहित उपकरण निर्माण प्रक्रिया से पहले 4H-SiC एपिटैक्सियल वेफर्स में प्रोटॉन प्रत्यारोपित किए। इसके बाद, हमने PiN डायोड पर विद्युत वोल्टेज लगाने के बाद इलेक्ट्रोल्यूमिनेसेंस (EL) छवियों में 1SSF का विस्तार देखा। अंत में, हमने 1SSF विस्तार के दमन पर प्रोटॉन इंजेक्शन के प्रभाव की पुष्टि की।
चित्र 1 में स्पंदित धारा से पहले प्रोटॉन आरोपण वाले और बिना प्रोटॉन आरोपण वाले क्षेत्रों में कमरे के तापमान पर PiN डायोड की धारा-वोल्टेज विशेषताएँ (CVC) दिखाई गई हैं। प्रोटॉन इंजेक्शन वाले PiN डायोड, बिना प्रोटॉन इंजेक्शन वाले डायोड के समान सुधार विशेषताएँ दिखाते हैं, भले ही डायोड के बीच IV विशेषताएँ साझा की जाती हैं। इंजेक्शन स्थितियों के बीच अंतर को इंगित करने के लिए, हमने एक सांख्यिकीय प्लॉट के रूप में 2.5 A/cm2 (100 mA के अनुरूप) के अग्र धारा घनत्व पर वोल्टेज आवृत्ति को प्लॉट किया, जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है। सामान्य वितरण द्वारा अनुमानित वक्र को भी बिंदीदार रेखा द्वारा दर्शाया गया है। रेखा। जैसा कि वक्रों के शिखरों से देखा जा सकता है, 1014 और 1016 cm-2 की प्रोटॉन खुराक पर ऑन-प्रतिरोध थोड़ा बढ़ जाता है हमने PiN डायोड के निर्माण के बाद प्रोटॉन प्रत्यारोपण भी किया, जो पिछले अध्ययनों 37,38,39 में वर्णित चित्र S1 में दिखाए गए प्रोटॉन प्रत्यारोपण के कारण होने वाले नुकसान के कारण एक समान इलेक्ट्रोल्यूमिनेसेंस प्रदर्शित नहीं करते थे। इसलिए, Al आयनों के प्रत्यारोपण के बाद 1600 °C पर एनीलिंग Al स्वीकर्ता को सक्रिय करने के लिए उपकरणों के निर्माण के लिए एक आवश्यक प्रक्रिया है, जो प्रोटॉन प्रत्यारोपण के कारण होने वाले नुकसान की मरम्मत कर सकता है, जो प्रत्यारोपित और गैर-प्रत्यारोपित प्रोटॉन PiN डायोड के बीच CVC को समान बनाता है। -5 V पर रिवर्स करंट फ़्रीक्वेंसी भी चित्र S2 में प्रस्तुत की गई है, प्रोटॉन इंजेक्शन के साथ और बिना डायोड के बीच कोई महत्वपूर्ण अंतर नहीं है।
कमरे के तापमान पर इंजेक्टेड प्रोटॉन के साथ और बिना PiN डायोड की वोल्ट-एम्पीयर विशेषताएँ। किंवदंती प्रोटॉन की खुराक को इंगित करती है।
इंजेक्टेड और नॉन-इंजेक्टेड प्रोटॉन वाले PiN डायोड के लिए प्रत्यक्ष धारा 2.5 A/cm2 पर वोल्टेज आवृत्ति। बिंदीदार रेखा सामान्य वितरण से मेल खाती है।
चित्र 3 में वोल्टेज के बाद 25 A/cm2 की धारा घनत्व वाले PiN डायोड की EL छवि दिखाई गई है। स्पंदित धारा लोड लागू करने से पहले, डायोड के अंधेरे क्षेत्र नहीं देखे गए, जैसा कि चित्र 3. C2 में दिखाया गया है। हालाँकि, जैसा कि चित्र 3a में दिखाया गया है, प्रोटॉन प्रत्यारोपण के बिना PiN डायोड में, विद्युत वोल्टेज लागू करने के बाद हल्के किनारों वाले कई अंधेरे धारीदार क्षेत्र देखे गए। ऐसे रॉड के आकार के अंधेरे क्षेत्र सब्सट्रेट28,29 में BPD से विस्तारित 1SSF के लिए EL छवियों में देखे जाते हैं। इसके बजाय, प्रत्यारोपित प्रोटॉन वाले PiN डायोड में कुछ विस्तारित स्टैकिंग दोष देखे गए, जैसा कि चित्र 3b-d में दिखाया गया है। एक्स-रे स्थलाकृति का उपयोग करते हुए, हमने पीआर की उपस्थिति की पुष्टि की जो कि प्रोटॉन इंजेक्शन के बिना PiN डायोड में संपर्कों की परिधि में BPD से सब्सट्रेट तक जा सकते हैं (चित्र 4: शीर्ष इलेक्ट्रोड को हटाए बिना यह छवि (फोटो खींची गई, इलेक्ट्रोड के नीचे PR दिखाई नहीं दे रहा है)। इसलिए, EL छवि में अंधेरा क्षेत्र सब्सट्रेट में एक विस्तारित 1SSF BPD से मेल खाता है। अन्य लोड किए गए PiN डायोड की EL छवियों को चित्र 1 और 2 में दिखाया गया है। विस्तारित अंधेरे क्षेत्रों के साथ और बिना वीडियो S3-S6 (प्रोटॉन इंजेक्शन के बिना PiN डायोड की समय-भिन्न EL छवियां और 1014 सेमी-2 पर प्रत्यारोपित) भी पूरक सूचना में दिखाए गए हैं।
2 घंटे के विद्युत तनाव के बाद 25 A/cm2 पर PiN डायोड की EL छवियां (a) प्रोटॉन प्रत्यारोपण के बिना और (b) 1012 cm-2, (c) 1014 cm-2 और (d) 1016 cm-2 प्रोटॉन की प्रत्यारोपित खुराक के साथ।
हमने प्रत्येक स्थिति के लिए तीन PiN 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 प्रोटॉन खुराक में वृद्धि के साथ घटता है, और यहां तक कि 1012 सेमी -2 की खुराक पर, विस्तारित 1SSF का घनत्व एक गैर-प्रत्यारोपित PiN डायोड की तुलना में काफी कम है।
स्पंदित धारा के साथ लोड करने के बाद प्रोटॉन प्रत्यारोपण के साथ और उसके बिना SF PiN डायोड के घनत्व में वृद्धि हुई (प्रत्येक अवस्था में तीन लोडेड डायोड शामिल थे)।
वाहक जीवनकाल को छोटा करने से विस्तार दमन भी प्रभावित होता है, और प्रोटॉन इंजेक्शन वाहक जीवनकाल को कम करता है32,36। हमने 1014 सेमी-2 के इंजेक्ट किए गए प्रोटॉन के साथ 60 µm मोटी एक एपिटैक्सियल परत में वाहक जीवनकाल देखा है। प्रारंभिक वाहक जीवनकाल से, हालांकि इम्प्लांट मूल्य को ~10% तक कम कर देता है, बाद में एनीलिंग इसे ~50% तक पुनर्स्थापित करता है, जैसा कि Fig. S7 में दिखाया गया है। इसलिए, प्रोटॉन इम्प्लांटेशन के कारण कम हुआ वाहक जीवनकाल उच्च तापमान एनीलिंग द्वारा बहाल किया जाता है। हालांकि वाहक जीवन में 50% की कमी स्टैकिंग दोषों के प्रसार को भी दबाती है, I–V विशेषताएं, जो आमतौर पर वाहक जीवन पर निर्भर होती हैं
हालांकि SIMS 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 प्रत्यारोपण के प्रभाव को देखा, जैसा कि चित्र 1 और 4 में दिखाया गया है। 3, 4. इसलिए, हमारा मानना है कि PD को SIMS (2 × 1016 सेमी-3) की पहचान सीमा से कम घनत्व वाले हाइड्रोजन परमाणुओं या प्रत्यारोपण द्वारा प्रेरित बिंदु दोषों द्वारा लंगर डाला जाता है। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि हमने सर्ज करंट लोड के बाद 1SSF के विस्तार के कारण ऑन-स्टेट प्रतिरोध में वृद्धि की पुष्टि नहीं की है। यह हमारी प्रक्रिया का उपयोग करके बनाए गए अपूर्ण ओमिक संपर्कों के कारण हो सकता है, जिसे निकट भविष्य में समाप्त कर दिया जाएगा।
निष्कर्ष में, हमने डिवाइस निर्माण से पहले प्रोटॉन इम्प्लांटेशन का उपयोग करके 4H-SiC PiN डायोड में BPD को 1SSF तक विस्तारित करने के लिए एक शमन विधि विकसित की। प्रोटॉन इम्प्लांटेशन के दौरान I–V विशेषता की गिरावट नगण्य है, विशेष रूप से 1012 सेमी–2 की प्रोटॉन खुराक पर, लेकिन 1SSF विस्तार को दबाने का प्रभाव महत्वपूर्ण है। हालाँकि इस अध्ययन में हमने 10 µm की गहराई तक प्रोटॉन इम्प्लांटेशन के साथ 10 µm मोटे PiN डायोड का निर्माण किया, फिर भी इम्प्लांटेशन स्थितियों को और अधिक अनुकूलित करना और उन्हें अन्य प्रकार के 4H-SiC डिवाइस बनाने के लिए लागू करना संभव है। प्रोटॉन इम्प्लांटेशन के दौरान डिवाइस निर्माण के लिए अतिरिक्त लागतों पर विचार किया जाना चाहिए, लेकिन वे एल्युमिनियम आयन इम्प्लांटेशन के लिए समान होंगे, जो 4H-SiC पावर डिवाइस के लिए मुख्य निर्माण प्रक्रिया है। इस प्रकार, डिवाइस प्रोसेसिंग से पहले प्रोटॉन इम्प्लांटेशन बिना किसी गिरावट के 4H-SiC द्विध्रुवीय पावर डिवाइस बनाने के लिए एक संभावित विधि है।
10 µm की एपिटैक्सियल परत मोटाई और 1 × 1016 cm–3 की डोनर डोपिंग सांद्रता वाली 4-इंच n-टाइप 4H-SiC वेफर को नमूने के रूप में इस्तेमाल किया गया था। डिवाइस को प्रोसेस करने से पहले, H+ आयनों को प्लेट की सतह पर सामान्य कोण पर लगभग 10 µm की गहराई तक कमरे के तापमान पर 0.95 MeV की त्वरण ऊर्जा के साथ प्लेट में प्रत्यारोपित किया गया था। प्रोटॉन प्रत्यारोपण के दौरान, प्लेट पर एक मास्क का उपयोग किया गया था, और प्लेट में 1012, 1014, या 1016 cm-2 की प्रोटॉन खुराक के बिना और साथ वाले खंड थे। फिर, 1020 और 1017 सेमी–3 प्रोटॉन खुराक वाले Al आयनों को सतह से 0–0.2 µm और 0.2–0.5 µm की गहराई तक पूरे वेफर पर प्रत्यारोपित किया गया, इसके बाद ap परत बनाने के लिए कार्बन कैप बनाने हेतु 1600°C पर एनीलिंग किया गया। इसके बाद, सब्सट्रेट की तरफ एक बैक साइड Ni संपर्क जमा किया गया, जबकि फोटोलिथोग्राफी और एक पील प्रक्रिया द्वारा निर्मित 2.0 मिमी × 2.0 मिमी कंघी के आकार का Ti/Al फ्रंट साइड संपर्क एपिटैक्सियल परत की तरफ जमा किया गया। अंत में, 700 °C के तापमान पर संपर्क एनीलिंग किया जाता है। वेफर को चिप्स में काटने के बाद, हमने तनाव लक्षण वर्णन और अनुप्रयोग किया।
HP4155B सेमीकंडक्टर पैरामीटर विश्लेषक का उपयोग करके निर्मित PiN डायोड की I-V विशेषताओं को देखा गया। विद्युत तनाव के रूप में, 10 पल्स/सेकंड की आवृत्ति पर 2 घंटे के लिए 212.5 A/cm2 की 10-मिलीसेकंड स्पंदित धारा पेश की गई थी। जब हमने कम वर्तमान घनत्व या आवृत्ति चुनी, तो हमने प्रोटॉन इंजेक्शन के बिना PiN डायोड में भी 1SSF विस्तार नहीं देखा। लागू विद्युत वोल्टेज के दौरान, PiN डायोड का तापमान जानबूझकर गर्म किए बिना लगभग 70°C होता है, जैसा कि चित्र S8 में दिखाया गया है। विद्युत तनाव से पहले और बाद में 25 A/cm2 की वर्तमान घनत्व पर इलेक्ट्रोल्यूमिनसेंट छवियां प्राप्त की गईं। ऐची सिंक्रोट्रॉन विकिरण केंद्र में एक मोनोक्रोमैटिक एक्स-रे बीम (λ = 0.15 एनएम) का उपयोग करके सिंक्रोट्रॉन प्रतिबिंब ग्रेज़िंग घटना एक्स-रे स्थलाकृति, BL8S2 में एजी वेक्टर -1-128 या 11-28 है (विवरण के लिए संदर्भ 44 देखें)।
2.5 A/cm2 के अग्रवर्ती धारा घनत्व पर वोल्टेज आवृत्ति को PiN डायोड की प्रत्येक अवस्था के CVC के अनुसार चित्र 2 में 0.5 V के अंतराल के साथ निकाला जाता है। तनाव Vave के औसत मान और तनाव के मानक विचलन σ से, हम निम्नलिखित समीकरण का उपयोग करके चित्र 2 में बिंदीदार रेखा के रूप में एक सामान्य वितरण वक्र बनाते हैं:
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पोस्ट करने का समय: नवम्बर-06-2022
