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4H-SiC è stato commercializzato come materiale per dispositivi a semiconduttore di potenza. Tuttavia, l’affidabilità a lungo termine dei dispositivi 4H-SiC rappresenta un ostacolo alla loro ampia applicazione e il problema di affidabilità più importante dei dispositivi 4H-SiC è il degrado bipolare. Questo degrado è causato dalla propagazione di un singolo guasto di impilamento Shockley (1SSF) delle dislocazioni del piano basale nei cristalli 4H-SiC. Qui, proponiamo un metodo per sopprimere l'espansione 1SSF impiantando protoni su wafer epitassiali 4H-SiC. I diodi PiN fabbricati su wafer con impianto di protoni hanno mostrato le stesse caratteristiche di corrente-tensione dei diodi senza impianto di protoni. Al contrario, l'espansione 1SSF viene effettivamente soppressa nel diodo PiN impiantato con protoni. Pertanto, l'impianto di protoni nei wafer epitassiali 4H-SiC è un metodo efficace per sopprimere la degradazione bipolare dei dispositivi semiconduttori di potenza 4H-SiC mantenendo le prestazioni del dispositivo. Questo risultato contribuisce allo sviluppo di dispositivi 4H-SiC altamente affidabili.
Il carburo di silicio (SiC) è ampiamente riconosciuto come materiale semiconduttore per dispositivi semiconduttori ad alta potenza e alta frequenza che possono funzionare in ambienti difficili1. Esistono molti politipi SiC, tra cui 4H-SiC ha eccellenti proprietà fisiche dei dispositivi a semiconduttore come elevata mobilità degli elettroni e forte campo elettrico di rottura2. I wafer 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 al cortocircuito,6,7 di cui uno dei problemi di affidabilità più importanti è il degrado bipolare2,8,9,10,11. Questa degradazione bipolare è stata scoperta oltre 20 anni fa ed è stata a lungo un problema nella fabbricazione di dispositivi SiC.
La degradazione bipolare è causata da un singolo difetto dello stack Shockley (1SSF) nei cristalli 4H-SiC con dislocazioni del piano basale (BPD) che si propagano mediante ricombinazione migliorata dislocazione glide (REDG)12,13,14,15,16,17,18,19. Pertanto, se l'espansione BPD viene soppressa a 1SSF, i dispositivi di potenza 4H-SiC possono essere fabbricati senza degradazione bipolare. Sono stati segnalati diversi metodi per sopprimere la propagazione del BPD, come la trasformazione da BPD a Thread Edge Dislocation (TED) 20,21,22,23,24. Nei più recenti wafer epitassiali SiC, il BPD è presente principalmente nel substrato e non nello strato epitassiale a causa della conversione di 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 un metodo efficace per sopprimere l'espansione BPD nel substrato28, 29, 30, 31. Questo strato aumenta la probabilità di ricombinazione della coppia elettrone-lacuna nel strato epitassiale e substrato SiC. La riduzione del numero di coppie elettrone-lacuna riduce la forza trainante del REDG sul BPD nel substrato, quindi lo strato di rinforzo composito può sopprimere la degradazione bipolare. Va notato 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 il controllo della vita del portatore. Pertanto, esiste ancora una forte necessità di sviluppare altri metodi di soppressione per raggiungere un migliore equilibrio tra costo di produzione e resa del dispositivo.
Poiché l'estensione del BPD a 1SSF richiede il movimento delle dislocazioni parziali (PD), il fissaggio del PD è un approccio promettente per inibire la degradazione bipolare. Sebbene sia stato segnalato il fissaggio del PD da parte di impurità metalliche, gli FPD nei substrati 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 nel SiC è molto piccolo, è difficile che le impurità metalliche si diffondano nel substrato34. A causa della massa atomica relativamente grande dei metalli, anche l'impianto ionico dei metalli è difficile. Nel caso dell'idrogeno, invece, l'elemento più leggero, gli ioni (protoni) possono essere impiantati nel 4H-SiC a una profondità superiore a 10 µm utilizzando un acceleratore della classe MeV. Pertanto, se l'impianto di protoni influisce sul pinning del PD, può essere utilizzato per sopprimere la propagazione del BPD nel substrato. Tuttavia, l'impianto di protoni può danneggiare 4H-SiC e comportare una riduzione delle prestazioni del dispositivo37,38,39,40.
Per superare il degrado del dispositivo dovuto all'impianto di protoni, viene utilizzata la ricottura ad alta temperatura per riparare i danni, simile al metodo di ricottura comunemente utilizzato dopo l'impianto di ioni accettori nell'elaborazione del dispositivo1, 40, 41, 42. Sebbene la spettrometria di massa di ioni secondari (SIMS)43 abbia riportata la diffusione dell'idrogeno dovuta alla ricottura ad alta temperatura, è possibile che solo la densità degli atomi di idrogeno vicino all'FD non sia sufficiente per rilevare il pinning del PR utilizzando SIMS. Pertanto, in questo studio, abbiamo impiantato protoni in wafer epitassiali 4H-SiC prima del processo di fabbricazione del dispositivo, inclusa la ricottura ad alta temperatura. Abbiamo utilizzato diodi PiN come strutture di dispositivi sperimentali e li abbiamo fabbricati su wafer epitassiali 4H-SiC impiantati con protoni. Abbiamo quindi osservato le caratteristiche volt-ampere 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 1SSF.
Nella fig. La Figura 1 mostra le caratteristiche corrente-tensione (CVC) dei diodi PiN a temperatura ambiente in regioni con e senza impianto di protoni prima della corrente pulsata. I diodi PiN con iniezione di protoni mostrano caratteristiche di raddrizzamento simili ai diodi senza iniezione di protoni, anche se le caratteristiche IV sono condivise tra i diodi. Per indicare la differenza tra le condizioni di iniezione, abbiamo tracciato la frequenza della tensione con una densità di corrente diretta di 2,5 A/cm2 (corrispondente a 100 mA) come grafico statistico, come mostrato nella Figura 2. È rappresentata anche la curva approssimata da una distribuzione normale da una linea tratteggiata. linea. Come si può vedere dai picchi delle curve, la resistenza on aumenta leggermente a dosi di protoni di 1014 e 1016 cm-2, mentre il diodo PiN con una dose di protoni di 1012 cm-2 mostra quasi le stesse caratteristiche senza impianto di protoni . Abbiamo anche eseguito l'impianto di protoni dopo la fabbricazione di diodi PiN che non mostravano un'elettroluminescenza uniforme a causa del danno causato dall'impianto di protoni, come mostrato nella Figura S1 come descritto negli studi precedenti37,38,39. Pertanto, la ricottura a 1600 ° C dopo l'impianto di ioni Al è un processo necessario per fabbricare dispositivi per attivare l'accettore di Al, che può riparare il danno causato dall'impianto di protoni, che rende i CVC uguali tra diodi PiN protonici impiantati e non impiantati . La frequenza della corrente inversa a -5 V è presentata anche nella Figura S2, non vi è alcuna differenza significativa tra i diodi con e senza iniezione di protoni.
Caratteristiche volt-ampere dei diodi PiN con e senza protoni iniettati a temperatura ambiente. La legenda indica la dose di protoni.
Frequenza di tensione in corrente continua 2,5 A/cm2 per diodi PiN con protoni iniettati e non iniettati. La linea tratteggiata corrisponde alla distribuzione normale.
Nella fig. 3 mostra un'immagine EL di un diodo PiN con una densità di corrente di 25 A/cm2 dopo la tensione. Prima di applicare il carico di corrente pulsata, le regioni scure del diodo non sono state osservate, come mostrato in Figura 3. C2. Tuttavia, come mostrato in fig. 3a, in un diodo PiN senza impianto di protoni, dopo l'applicazione di una tensione elettrica sono state osservate diverse regioni a strisce scure con bordi chiari. 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 in Fig. 3b-d. Utilizzando la topografia a raggi X, abbiamo confermato la presenza di PR che possono 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, 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. Video S3-S6 con e senza estensione. le aree scure (immagini EL variabili nel tempo di diodi PiN senza iniezione di protoni e impiantate a 1014 cm-2) sono mostrate anche in 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 dell'1SSF espanso calcolando le aree scure con bordi luminosi in tre diodi PiN per ciascuna condizione, come mostrato nella Figura 5. La densità dell'1SSF espanso diminuisce con l'aumentare della dose di protoni e anche a una dose di 1012 cm-2, la densità dell'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 (ciascuno stato includeva tre diodi caricati).
La riduzione della durata del portatore influisce anche sulla soppressione dell'espansione e l'iniezione di protoni riduce la durata del portatore32,36. Abbiamo osservato la durata dei portatori in uno strato epitassiale spesso 60 µm con protoni iniettati di 1014 cm-2. Dalla durata iniziale del portatore, sebbene l'impianto riduca il valore al ~ 10%, la successiva ricottura lo ripristina al ~ 50%, come mostrato nella Fig. S7. Pertanto, la durata del portatore, ridotta a causa dell'impianto di protoni, viene ripristinata mediante ricottura ad alta temperatura. Sebbene una riduzione del 50% della durata del trasportatore sopprima anche la propagazione dei difetti di impilamento, le caratteristiche IV-V, che tipicamente dipendono dalla durata del trasportatore, mostrano solo differenze minori tra diodi iniettati e non impiantati. Pertanto, riteniamo che l’ancoraggio del PD svolga un ruolo nell’inibire l’espansione di 1SSF.
Sebbene SIMS non abbia rilevato idrogeno dopo la ricottura a 1600°C, come riportato in studi precedenti, abbiamo osservato l'effetto dell'impianto di protoni sulla soppressione dell'espansione di 1SSF, come mostrato nelle Figure 1 e 4. 3, 4. Pertanto, riteniamo che il PD è ancorato da atomi di idrogeno con densità inferiore al limite di rilevamento di SIMS (2 × 1016 cm-3) o difetti puntiformi indotti dall'impianto. Va notato che non abbiamo confermato un aumento della resistenza nello stato attivo dovuto all'allungamento di 1SSF dopo un picco di corrente di carico. Ciò potrebbe essere dovuto a contatti ohmici imperfetti realizzati con il nostro processo, che verranno eliminati nel prossimo futuro.
In conclusione, abbiamo sviluppato un metodo di quench per estendere il BPD a 1SSF nei diodi PiN 4H-SiC utilizzando l'impianto di protoni prima della fabbricazione del dispositivo. Il deterioramento della caratteristica I–V durante l’impianto del protone è insignificante, specialmente ad una dose di protoni di 1012 cm–2, ma l’effetto della soppressione dell’espansione 1SSF è significativo. Sebbene in questo studio abbiamo fabbricato diodi PiN spessi 10 µm con impianto di protoni a una profondità di 10 µm, è ancora possibile ottimizzare ulteriormente le condizioni di impianto e applicarle per fabbricare altri tipi di dispositivi 4H-SiC. Dovrebbero essere presi in considerazione costi aggiuntivi per la fabbricazione del dispositivo durante l’impianto di protoni, ma saranno simili a quelli per l’impianto di ioni di alluminio, che è il processo di fabbricazione principale per i dispositivi di potenza 4H-SiC. Pertanto, l'impianto di protoni prima dell'elaborazione del dispositivo è un potenziale metodo per fabbricare dispositivi di potenza bipolari 4H-SiC senza degenerazione.
Come campione è stato utilizzato un wafer 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 della lavorazione del dispositivo, gli ioni H+ sono stati impiantati nella piastra con un'energia di accelerazione di 0,95 MeV a temperatura ambiente fino ad una profondità di circa 10 μm ad un angolo normale rispetto alla superficie della piastra. Durante l'impianto del protone, è stata utilizzata una maschera su una piastra e la piastra aveva sezioni senza e con una dose di protoni di 1012, 1014 o 1016 cm-2. Quindi, ioni Al con dosi di protoni 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 un cappuccio di carbonio su cui formare uno strato ap. -tipo. Successivamente, un contatto Ni sul lato posteriore è stato depositato sul lato del substrato, mentre un contatto sul lato anteriore Ti/Al a forma di pettine di 2,0 mm x 2,0 mm formato mediante fotolitografia e un processo di peel è stato depositato sul lato dello strato epitassiale. Infine, la ricottura per contatto viene effettuata ad una temperatura di 700 °C. Dopo aver tagliato il wafer in chip, abbiamo eseguito la caratterizzazione e l'applicazione dello 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 per 2 ore una corrente pulsata di 10 millisecondi di 212,5 A/cm2 ad una frequenza di 10 impulsi/sec. Quando abbiamo scelto una densità di corrente o una frequenza inferiore, non abbiamo osservato l'espansione 1SSF nemmeno in un diodo PiN senza iniezione di protoni. Durante la tensione elettrica applicata, la temperatura del diodo PiN è di circa 70°C senza riscaldamento intenzionale, come mostrato nella Figura S8. Sono state ottenute immagini elettroluminescenti prima e dopo lo stress elettrico ad una densità di corrente di 25 A/cm2. Topografia di raggi X con incidenza radente della riflessione di sincrotrone utilizzando un fascio di raggi X monocromatico (λ = 0,15 nm) presso il Centro di radiazione di sincrotrone di Aichi, il vettore ag in BL8S2 è -1-128 o 11-28 (vedere rif. 44 per i dettagli) . ).
La frequenza della tensione con una densità di corrente diretta di 2,5 A/cm2 viene estratta con un intervallo di 0,5 V in fig. 2 secondo il CVC di ciascuno stato del diodo PiN. Dal valore medio dello stress Vave e dalla deviazione standard σ dello stress, tracciamo una curva di distribuzione normale sotto forma di linea tratteggiata nella Figura 2 utilizzando la seguente equazione:
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Orario di pubblicazione: 06-nov-2022
