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Il 4H-SiC è stato commercializzato come materiale per dispositivi a semiconduttore di potenza. Tuttavia, l'affidabilità a lungo termine dei dispositivi in 4H-SiC rappresenta un ostacolo alla loro ampia applicazione, e il problema di affidabilità più importante dei dispositivi in 4H-SiC è la degradazione bipolare. Questa degradazione è causata da una singola propagazione di Shockley Stacking Fault (1SSF) delle dislocazioni del piano basale nei cristalli di 4H-SiC. In questo articolo, proponiamo un metodo per sopprimere l'espansione di 1SSF impiantando protoni su wafer epitassiali di 4H-SiC. I diodi PiN fabbricati su wafer con impianto di protoni hanno mostrato le stesse caratteristiche corrente-tensione dei diodi senza impianto di protoni. Al contrario, l'espansione di 1SSF è efficacemente soppressa nel diodo PiN con impianto di protoni. Pertanto, l'impianto di protoni in wafer epitassiali di 4H-SiC rappresenta un metodo efficace per sopprimere la degradazione bipolare dei dispositivi a semiconduttore di potenza in 4H-SiC, mantenendone inalterate le prestazioni. Questo risultato contribuisce allo sviluppo di dispositivi in 4H-SiC altamente affidabili.
Il carburo di silicio (SiC) è ampiamente riconosciuto come materiale semiconduttore per dispositivi a semiconduttore ad alta potenza e alta frequenza, in grado di operare in ambienti difficili1. Esistono molti politipi di SiC, tra cui il 4H-SiC, che presenta eccellenti proprietà fisiche come elevata mobilità elettronica e un forte campo elettrico di breakdown2. Wafer di 4H-SiC con un diametro di 6 pollici sono attualmente commercializzati e utilizzati per la produzione in serie di dispositivi a semiconduttore di potenza3. I sistemi di trazione per veicoli elettrici e treni sono stati fabbricati utilizzando dispositivi a semiconduttore di potenza 4H-SiC4.5. Tuttavia, i dispositivi 4H-SiC soffrono ancora di problemi di affidabilità a lungo termine, come la rottura dielettrica o l'affidabilità da cortocircuito6,7, di cui uno dei più importanti è la degradazione bipolare2,8,9,10,11. Questa degradazione bipolare è stata scoperta oltre 20 anni fa ed è da tempo un problema nella fabbricazione di dispositivi SiC.
La degradazione bipolare è causata da un singolo difetto di Shockley Stack (1SSF) nei cristalli di 4H-SiC con dislocazioni del piano basale (BPD) che si propagano per scorrimento dislocato migliorato dalla ricombinazione (REDG)12,13,14,15,16,17,18,19. Pertanto, se l'espansione del BPD viene soppressa a 1SSF, è possibile fabbricare dispositivi di potenza in 4H-SiC senza degradazione bipolare. Sono stati segnalati diversi metodi per sopprimere la propagazione del BPD, come la trasformazione da BPD a dislocazione del bordo del filo (TED) 20,21,22,23,24. Nei wafer epitassiali di SiC più recenti, il BPD è presente principalmente nel substrato e non nello strato epitassiale a causa della conversione del BPD in TED durante la fase iniziale della crescita epitassiale. Pertanto, il problema rimanente della degradazione bipolare è la distribuzione del BPD nel substrato 25,26,27. L'inserimento di uno "strato di rinforzo composito" tra lo strato di deriva e il substrato è stato proposto come metodo efficace per sopprimere l'espansione del BPD nel substrato28, 29, 30, 31. Questo strato aumenta la probabilità di ricombinazione di coppie elettrone-lacuna nello strato epitassiale e nel substrato di SiC. Ridurre il numero di coppie elettrone-lacuna riduce la forza motrice del REDG in BPD nel substrato, quindi lo strato di rinforzo composito può sopprimere la degradazione bipolare. È importante notare che l'inserimento di uno strato comporta costi aggiuntivi nella produzione dei wafer e, senza l'inserimento di uno strato, è difficile ridurre il numero di coppie elettrone-lacuna controllando solo la durata di vita del portatore. Pertanto, sussiste ancora una forte necessità di sviluppare altri metodi di soppressione per raggiungere un migliore equilibrio tra costi di produzione e resa del dispositivo.
Poiché l'estensione del BPD a 1SSF richiede il movimento di dislocazioni parziali (PD), il pinning delle PD è un approccio promettente per inibire la degradazione bipolare. Sebbene sia stato segnalato il pinning delle PD da parte di impurità metalliche, le FPD nei substrati di 4H-SiC si trovano a una distanza superiore a 5 μm dalla superficie dello strato epitassiale. Inoltre, poiché il coefficiente di diffusione di qualsiasi metallo in SiC è molto piccolo, è difficile per le impurità metalliche diffondersi nel substrato34. A causa della massa atomica relativamente elevata dei metalli, anche l'impianto ionico dei metalli è difficile. Al contrario, nel caso dell'idrogeno, l'elemento più leggero, gli ioni (protoni) possono essere impiantati in 4H-SiC a una profondità superiore a 10 μm utilizzando un acceleratore di classe MeV. Pertanto, se l'impianto protonico influisce sul pinning delle PD, può essere utilizzato per sopprimere la propagazione del BPD nel substrato. Tuttavia, l'impianto di protoni può danneggiare il 4H-SiC e ridurre le prestazioni del dispositivo37,38,39,40.
Per superare il degrado del dispositivo dovuto all'impianto di protoni, si utilizza la ricottura ad alta temperatura per riparare i danni, simile al metodo di ricottura comunemente utilizzato dopo l'impianto di ioni accettori nella lavorazione dei dispositivi1, 40, 41, 42. Sebbene la spettrometria di massa a ioni secondari (SIMS)43 abbia segnalato la diffusione dell'idrogeno dovuta alla ricottura ad alta temperatura, è possibile che la sola densità degli atomi di idrogeno in prossimità del FD non sia sufficiente a rilevare il pinning del PR utilizzando la SIMS. Pertanto, in questo studio, abbiamo impiantato protoni in wafer epitassiali di 4H-SiC prima del processo di fabbricazione del dispositivo, inclusa la ricottura ad alta temperatura. Abbiamo utilizzato diodi PiN come strutture sperimentali per dispositivi e li abbiamo fabbricati su wafer epitassiali di 4H-SiC con impianto di protoni. Abbiamo quindi osservato le caratteristiche voltampere-volt per studiare il degrado delle prestazioni del dispositivo dovuto all'iniezione di protoni. Successivamente, abbiamo osservato l'espansione di 1SSF nelle immagini di elettroluminescenza (EL) dopo aver applicato una tensione elettrica al diodo PiN. Infine, abbiamo confermato l'effetto dell'iniezione di protoni sulla soppressione dell'espansione di 1SSF.
Nella figura 1 sono illustrate le caratteristiche corrente-tensione (CVC) dei diodi PiN a temperatura ambiente nelle regioni con e senza impianto protonico prima dell'applicazione di corrente pulsata. I diodi PiN con iniezione protonica mostrano caratteristiche di rettificazione simili ai diodi senza iniezione protonica, sebbene le caratteristiche IV siano condivise tra i diodi. Per indicare la differenza tra le condizioni di iniezione, abbiamo tracciato la frequenza della tensione a una densità di corrente diretta di 2,5 A/cm² (corrispondente a 100 mA) come grafico statistico, come mostrato in Figura 2. La curva approssimata da una distribuzione normale è rappresentata anche da una linea tratteggiata. Come si può osservare dai picchi delle curve, la resistenza di conduzione aumenta leggermente a dosi di protoni di 10¹⁴ e 10¹⁴ cm⁴, mentre il diodo PiN con una dose di protoni di 10¹⁴ cm⁴ mostra caratteristiche pressoché identiche a quelle senza impianto protonico. Abbiamo anche eseguito l'impianto protonico dopo la fabbricazione di diodi PiN che non presentavano un'elettroluminescenza uniforme a causa del danno causato dall'impianto protonico, come mostrato in Figura S1 e descritto in studi precedenti37,38,39. Pertanto, la ricottura a 1600 °C dopo l'impianto di ioni di Al è un processo necessario per fabbricare dispositivi per attivare l'accettore di Al, che può riparare il danno causato dall'impianto protonico, il che rende i CVC identici tra diodi PiN protonici impiantati e non impiantati. La frequenza della corrente inversa a -5 V è presentata anche in Figura S2; non vi è alcuna differenza significativa tra diodi con e senza iniezione protonica.
Caratteristiche voltampere dei diodi PiN con e senza protoni iniettati a temperatura ambiente. La legenda indica la dose di protoni.
Frequenza di tensione in corrente continua di 2,5 A/cm² per diodi PiN con protoni iniettati e non iniettati. La linea tratteggiata corrisponde alla distribuzione normale.
La figura 3 mostra un'immagine EL di un diodo PiN con una densità di corrente di 25 A/cm² dopo l'applicazione della tensione. Prima dell'applicazione del carico di corrente pulsata, le regioni scure del diodo non erano osservate, come mostrato in Figura 3.C2. Tuttavia, come mostrato in figura 3a, in un diodo PiN senza impianto protonico, sono state osservate diverse regioni scure a strisce con bordi chiari dopo l'applicazione di una tensione elettrica. Tali regioni scure a forma di bastoncino sono osservate nelle immagini EL per 1SSF che si estendono dal BPD nel substrato28,29. Invece, sono stati osservati alcuni difetti di impilamento estesi nei diodi PiN con protoni impiantati, come mostrato nelle figure 3b–d. Utilizzando la topografia a raggi X, abbiamo confermato la presenza di PR in grado di spostarsi dal BPD al substrato alla periferia dei contatti nel diodo PiN senza iniezione di protoni (Fig. 4: questa immagine senza rimuovere l'elettrodo superiore (fotografato, il PR sotto gli elettrodi non è visibile). Pertanto, l'area scura nell'immagine EL corrisponde a un BPD 1SSF esteso nel substrato. Le immagini EL di altri diodi PiN caricati sono mostrate nelle Figure 1 e 2. I video S3-S6 con e senza aree scure estese (immagini EL variabili nel tempo di diodi PiN senza iniezione di protoni e impiantati a 1014 cm-2) sono mostrati anche nelle Informazioni supplementari.
Immagini EL di diodi PiN a 25 A/cm2 dopo 2 ore di stress elettrico (a) senza impianto di protoni e con dosi impiantate di (b) 1012 cm-2, (c) 1014 cm-2 e (d) 1016 cm-2 protoni.
Abbiamo calcolato la densità di 1SSF espanso calcolando le aree scure con bordi luminosi in tre diodi PiN per ciascuna condizione, come mostrato in Figura 5. La densità di 1SSF espanso diminuisce con l'aumentare della dose di protoni e, anche a una dose di 1012 cm-2, la densità di 1SSF espanso è significativamente inferiore rispetto a un diodo PiN non impiantato.
Aumento della densità dei diodi SF PiN con e senza impianto di protoni dopo il caricamento con una corrente pulsata (ogni stato includeva tre diodi caricati).
La riduzione della durata di vita dei portatori influisce anche sulla soppressione dell'espansione, e l'iniezione di protoni riduce la durata di vita dei portatori32,36. Abbiamo osservato durate di vita dei portatori in uno strato epitassiale di 60 µm di spessore con protoni iniettati di 1014 cm-2. Dalla durata di vita iniziale dei portatori, sebbene l'impianto riduca il valore a circa il 10%, la successiva ricottura lo ripristina a circa il 50%, come mostrato in Figura S7. Pertanto, la durata di vita dei portatori, ridotta a causa dell'impianto di protoni, viene ripristinata dalla ricottura ad alta temperatura. Sebbene una riduzione del 50% della durata di vita dei portatori sopprima anche la propagazione dei guasti di impilamento, le caratteristiche I-V, che dipendono tipicamente dalla durata di vita dei portatori, mostrano solo piccole differenze tra diodi iniettati e non impiantati. Pertanto, riteniamo che l'ancoraggio PD svolga un ruolo nell'inibizione dell'espansione 1SSF.
Sebbene la tecnica SIMS non abbia rilevato idrogeno dopo la ricottura a 1600 °C, come riportato in studi precedenti, abbiamo osservato l'effetto dell'impianto protonico sulla soppressione dell'espansione di 1SSF, come mostrato nelle Figure 1 e 4.3, 4. Pertanto, riteniamo che il PD sia ancorato da atomi di idrogeno con densità inferiore al limite di rilevabilità della tecnica SIMS (2 × 1016 cm-3) o da difetti puntiformi indotti dall'impianto. È opportuno notare che non abbiamo confermato un aumento della resistenza in stato attivo dovuto all'allungamento di 1SSF dopo un carico di corrente di picco. Ciò potrebbe essere dovuto a contatti ohmici imperfetti realizzati con il nostro processo, che saranno eliminati nel prossimo futuro.
In conclusione, abbiamo sviluppato un metodo di quenching per estendere il BPD a 1SSF nei diodi PiN 4H-SiC utilizzando l'impianto protonico prima della fabbricazione del dispositivo. Il deterioramento della caratteristica I–V durante l'impianto protonico è insignificante, soprattutto a una dose protonica di 1012 cm–2, ma l'effetto della soppressione dell'espansione di 1SSF è significativo. Sebbene in questo studio abbiamo fabbricato diodi PiN di 10 µm di spessore con impianto protonico a una profondità di 10 µm, è ancora possibile ottimizzare ulteriormente le condizioni di impianto e applicarle alla fabbricazione di altri tipi di dispositivi 4H-SiC. È necessario considerare i costi aggiuntivi per la fabbricazione del dispositivo durante l'impianto protonico, ma saranno simili a quelli dell'impianto ionico di alluminio, che è il principale processo di fabbricazione per i dispositivi di potenza 4H-SiC. Pertanto, l'impianto protonico prima della lavorazione del dispositivo è un potenziale metodo per fabbricare dispositivi di potenza bipolari 4H-SiC senza degenerazione.
Come campione è stato utilizzato un wafer di 4H-SiC di tipo n da 4 pollici con uno spessore dello strato epitassiale di 10 µm e una concentrazione di drogaggio del donatore di 1 × 1016 cm-3. Prima di processare il dispositivo, gli ioni H+ sono stati impiantati nella piastra con un'energia di accelerazione di 0,95 MeV a temperatura ambiente fino a una profondità di circa 10 µm, con un angolo normale rispetto alla superficie della piastra. Durante l'impianto protonico, è stata utilizzata una maschera su una piastra, e la piastra presentava sezioni senza e con una dose protonica di 1012, 1014 o 1016 cm-2. Successivamente, ioni di Al con dosi protoniche di 1020 e 1017 cm–3 sono stati impiantati sull'intero wafer a una profondità di 0–0,2 µm e 0,2–0,5 µm dalla superficie, seguiti da ricottura a 1600 °C per formare una copertura di carbonio e creare uno strato di tipo ap. Successivamente, è stato depositato un contatto posteriore in Ni sul lato del substrato, mentre un contatto frontale a pettine in Ti/Al di 2,0 mm × 2,0 mm, formato mediante fotolitografia e processo di peeling, è stato depositato sul lato dello strato epitassiale. Infine, la ricottura dei contatti è stata eseguita a una temperatura di 700 °C. Dopo aver tagliato il wafer in chip, abbiamo eseguito la caratterizzazione e l'applicazione degli stress.
Le caratteristiche I–V dei diodi PiN fabbricati sono state osservate utilizzando un analizzatore di parametri a semiconduttore HP4155B. Come stress elettrico, è stata introdotta una corrente pulsata di 212,5 A/cm² per 10 millisecondi per 2 ore a una frequenza di 10 impulsi/sec. Scegliendo una densità di corrente o una frequenza inferiore, non abbiamo osservato un'espansione di 1SSF nemmeno in un diodo PiN senza iniezione di protoni. Durante l'applicazione della tensione elettrica, la temperatura del diodo PiN è di circa 70 °C senza riscaldamento intenzionale, come mostrato in Figura S8. Immagini elettroluminescenti sono state ottenute prima e dopo lo stress elettrico a una densità di corrente di 25 A/cm². Topografia a raggi X con incidenza radente a riflessione di sincrotrone utilizzando un fascio di raggi X monocromatico (λ = 0,15 nm) presso l'Aichi Synchrotron Radiation Center, il vettore ag in BL8S2 è -1,128 o 11,28 (vedere rif. 44 per i dettagli). ).
La frequenza della tensione a una densità di corrente diretta di 2,5 A/cm² viene estratta con un intervallo di 0,5 V in Figura 2, in base al CVC di ogni stato del diodo PiN. Dal valore medio della sollecitazione Vave e dalla deviazione standard σ della sollecitazione, tracciamo una curva di distribuzione normale sotto forma di linea tratteggiata in Figura 2 utilizzando la seguente equazione:
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Song, H. e Sudarshan, TS Conversione della dislocazione del piano basale in prossimità dell'interfaccia epilayer/substrato nella crescita epitassiale di 4H–SiC fuori asse di 4°. Song, H. e Sudarshan, TS Conversione della dislocazione del piano basale in prossimità dell'interfaccia epilayer/substrato nella crescita epitassiale di 4H–SiC fuori asse di 4°.Song, H. e Sudarshan, TS Trasformazione delle dislocazioni del piano basale in prossimità dell'interfaccia strato epitassiale/substrato durante la crescita epitassiale fuori asse di 4H–SiC. Song, H. & Sudarshan, TS 在4° 离轴4H-SiC 外延生长中外延层/衬底界面附近的基底平面位错转换. Song, H. & Sudarshan, TS 在4° 离轴4H-SiC Song, H. e Sudarshan, TSTransizione di dislocazione planare del substrato in prossimità del confine tra strato epitassiale e substrato durante la crescita epitassiale di 4H-SiC al di fuori dell'asse 4°.J. Crystal. Crescita 371, 94–101 (2013).
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Data di pubblicazione: 06-11-2022
