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O 4H-SiC tem sido comercializado como material para dispositivos semicondutores de potência. No entanto, a confiabilidade a longo prazo dos dispositivos de 4H-SiC é um obstáculo à sua ampla aplicação, e o problema de confiabilidade mais importante dos dispositivos de 4H-SiC é a degradação bipolar. Essa degradação é causada pela propagação de uma falha de empilhamento de Shockley (1SSF) de discordâncias do plano basal em cristais de 4H-SiC. Aqui, propomos um método para suprimir a expansão de 1SSF implantando prótons em wafers epitaxiais de 4H-SiC. Diodos PiN fabricados em wafers com implantação de prótons apresentaram as mesmas características de corrente-tensão que os diodos sem implantação de prótons. Em contraste, a expansão de 1SSF é efetivamente suprimida no diodo PiN implantado com prótons. Assim, a implantação de prótons em wafers epitaxiais de 4H-SiC é um método eficaz para suprimir a degradação bipolar de dispositivos semicondutores de potência de 4H-SiC, mantendo o desempenho do dispositivo. Este resultado contribui para o desenvolvimento de dispositivos de 4H-SiC altamente confiáveis.
O carboneto de silício (SiC) é amplamente reconhecido como um material semicondutor para dispositivos semicondutores de alta potência e alta frequência que podem operar em ambientes severos1. Existem muitos politipos de SiC, entre os quais o 4H-SiC possui excelentes propriedades físicas de dispositivos semicondutores, como alta mobilidade de elétrons e forte campo elétrico de ruptura2. Wafers de 4H-SiC com diâmetro de 6 polegadas são atualmente comercializados e usados para produção em massa de dispositivos semicondutores de potência3. Sistemas de tração para veículos elétricos e trens foram fabricados usando dispositivos semicondutores de potência 4H-SiC4.5. No entanto, os dispositivos 4H-SiC ainda sofrem de problemas de confiabilidade de longo prazo, como ruptura dielétrica ou confiabilidade de curto-circuito,6,7 dos quais um dos problemas de confiabilidade mais importantes é a degradação bipolar2,8,9,10,11. Essa degradação bipolar foi descoberta há mais de 20 anos e tem sido um problema na fabricação de dispositivos de SiC há muito tempo.
A degradação bipolar é causada por um único defeito de pilha Shockley (1SSF) em cristais de 4H-SiC com discordâncias do plano basal (BPDs) propagando-se por deslizamento de discordância aprimorado por recombinação (REDG)12,13,14,15,16,17,18,19. Portanto, se a expansão do BPD for suprimida para 1SSF, dispositivos de energia de 4H-SiC podem ser fabricados sem degradação bipolar. Vários métodos foram relatados para suprimir a propagação do BPD, como a transformação de BPD em Deslocamento de Borda de Rosca (TED)20,21,22,23,24. Nos wafers epitaxiais de SiC mais recentes, o BPD está presente principalmente no substrato e não na camada epitaxial devido à conversão de BPD em TED durante o estágio inicial do crescimento epitaxial. Portanto, o problema restante da degradação bipolar é a distribuição do BPD no substrato25,26,27. A inserção de uma "camada de reforço composta" entre a camada de deriva e o substrato foi proposta como um método eficaz para suprimir a expansão de BPD no substrato [28, 29, 30, 31]. Essa camada aumenta a probabilidade de recombinação de pares elétron-buraco na camada epitaxial e no substrato de SiC. A redução do número de pares elétron-buraco reduz a força motriz do REDG para BPD no substrato, de modo que a camada de reforço composta pode suprimir a degradação bipolar. Deve-se notar que a inserção de uma camada acarreta custos adicionais na produção de wafers e, sem a inserção de uma camada, é difícil reduzir o número de pares elétron-buraco controlando apenas o controle da vida útil do portador. Portanto, ainda há uma forte necessidade de desenvolver outros métodos de supressão para alcançar um melhor equilíbrio entre o custo de fabricação do dispositivo e o rendimento.
Como a extensão do BPD para 1SSF requer o movimento de deslocamentos parciais (PDs), a fixação do PD é uma abordagem promissora para inibir a degradação bipolar. Embora a fixação do PD por impurezas metálicas tenha sido relatada, os FPDs em substratos de 4H-SiC estão localizados a uma distância de mais de 5 μm da superfície da camada epitaxial. Além disso, como o coeficiente de difusão de qualquer metal em SiC é muito pequeno, é difícil para as impurezas metálicas se difundirem no substrato34. Devido à massa atômica relativamente grande dos metais, a implantação de íons de metais também é difícil. Em contraste, no caso do hidrogênio, o elemento mais leve, íons (prótons) podem ser implantados em 4H-SiC a uma profundidade de mais de 10 μm usando um acelerador da classe MeV. Portanto, se a implantação de prótons afetar a fixação do PD, ela pode ser usada para suprimir a propagação do BPD no substrato. Entretanto, a implantação de prótons pode danificar o 4H-SiC e resultar na redução do desempenho do dispositivo37,38,39,40.
Para superar a degradação do dispositivo devido à implantação de prótons, o recozimento de alta temperatura é usado para reparar danos, semelhante ao método de recozimento comumente usado após a implantação de íons aceitadores no processamento de dispositivos1, 40, 41, 42. Embora a espectrometria de massa de íons secundários (SIMS)43 tenha relatado difusão de hidrogênio devido ao recozimento de alta temperatura, é possível que apenas a densidade de átomos de hidrogênio perto do FD não seja suficiente para detectar a fixação do PR usando SIMS. Portanto, neste estudo, implantamos prótons em wafers epitaxiais de 4H-SiC antes do processo de fabricação do dispositivo, incluindo o recozimento de alta temperatura. Usamos diodos PiN como estruturas de dispositivos experimentais e os fabricamos em wafers epitaxiais de 4H-SiC implantados com prótons. Em seguida, observamos as características volt-ampere para estudar a degradação do desempenho do dispositivo devido à injeção de prótons. Posteriormente, observamos a expansão do 1SSF em imagens de eletroluminescência (EL) após a aplicação de uma tensão elétrica ao diodo PiN. Por fim, confirmamos o efeito da injeção de prótons na supressão da expansão do 1SSF.
Na figura 1, são mostradas as características de corrente-tensão (CVCs) dos diodos PiN à temperatura ambiente em regiões com e sem implantação de prótons antes da corrente pulsada. Os diodos PiN com injeção de prótons apresentam características de retificação semelhantes às dos diodos sem injeção de prótons, embora as características de IV sejam compartilhadas entre os diodos. Para indicar a diferença entre as condições de injeção, plotamos a frequência de tensão a uma densidade de corrente direta de 2,5 A/cm² (correspondente a 100 mA) como um gráfico estatístico, conforme mostrado na Figura 2. A curva aproximada por uma distribuição normal também é representada por uma linha pontilhada. Como pode ser visto nos picos das curvas, a resistência aumenta ligeiramente nas doses de prótons de 1014 e 1016 cm-2, enquanto o diodo PiN com uma dose de prótons de 1012 cm-2 apresenta quase as mesmas características que sem implantação de prótons. Também realizamos a implantação de prótons após a fabricação de diodos PiN que não apresentaram eletroluminescência uniforme devido a danos causados pela implantação de prótons, como mostrado na Figura S1, conforme descrito em estudos anteriores37,38,39. Portanto, o recozimento a 1600 °C após a implantação de íons Al é um processo necessário para fabricar dispositivos que ativem o aceptor Al, o que pode reparar os danos causados pela implantação de prótons, o que torna os CVCs iguais entre diodos PiN de prótons implantados e não implantados. A frequência da corrente reversa a -5 V também é apresentada na Figura S2; não há diferença significativa entre diodos com e sem injeção de prótons.
Características volt-ampère de diodos PiN com e sem prótons injetados à temperatura ambiente. A legenda indica a dose de prótons.
Frequência de tensão em corrente contínua de 2,5 A/cm² para diodos PiN com prótons injetados e não injetados. A linha pontilhada corresponde à distribuição normal.
A Fig. 3 mostra uma imagem de EL de um diodo PiN com densidade de corrente de 25 A/cm² após a aplicação da tensão. Antes da aplicação da carga de corrente pulsada, as regiões escuras do diodo não foram observadas, como mostrado na Figura 3.C2. No entanto, como mostrado na Fig. 3a, em um diodo PiN sem implantação de prótons, várias regiões escuras listradas com bordas claras foram observadas após a aplicação de uma tensão elétrica. Essas regiões escuras em forma de haste são observadas em imagens de EL para 1SSF que se estendem da BPD no substrato28,29. Em vez disso, algumas falhas de empilhamento estendidas foram observadas em diodos PiN com prótons implantados, como mostrado nas Fig. 3b-d. Usando topografia de raios X, confirmamos a presença de PRs que podem se mover do BPD para o substrato na periferia dos contatos no diodo PiN sem injeção de prótons (Fig. 4: esta imagem sem remover o eletrodo superior (fotografado, o PR sob os eletrodos não é visível). Portanto, a área escura na imagem EL corresponde a um BPD de 1SSF estendido no substrato. As imagens EL de outros diodos PiN carregados são mostradas nas Figuras 1 e 2. Os vídeos S3-S6 com e sem áreas escuras estendidas (imagens EL variáveis no tempo de diodos PiN sem injeção de prótons e implantados a 1014 cm-2) também são mostrados em Informações Suplementares.
Imagens EL de diodos PiN a 25 A/cm2 após 2 horas de estresse elétrico (a) sem implantação de prótons e com doses implantadas de (b) 1012 cm-2, (c) 1014 cm-2 e (d) 1016 cm-2 de prótons.
Calculamos a densidade do 1SSF expandido calculando áreas escuras com bordas brilhantes em três diodos PiN para cada condição, conforme mostrado na Figura 5. A densidade do 1SSF expandido diminui com o aumento da dose de prótons e, mesmo em uma dose de 1012 cm-2, a densidade do 1SSF expandido é significativamente menor do que em um diodo PiN não implantado.
Aumento da densidade de diodos SF PiN com e sem implantação de prótons após carregamento com corrente pulsada (cada estado incluiu três diodos carregados).
A redução da vida útil do portador também afeta a supressão da expansão, e a injeção de prótons reduz a vida útil do portador32,36. Observamos vidas úteis do portador em uma camada epitaxial de 60 µm de espessura com prótons injetados de 1014 cm-2. A partir da vida útil inicial do portador, embora o implante reduza o valor para ~10%, o recozimento subsequente o restaura para ~50%, como mostrado na Fig. S7. Portanto, a vida útil do portador, reduzida devido à implantação de prótons, é restaurada pelo recozimento de alta temperatura. Embora uma redução de 50% na vida útil do portador também suprima a propagação de falhas de empilhamento, as características I-V, que normalmente dependem da vida útil do portador, mostram apenas pequenas diferenças entre diodos injetados e não implantados. Portanto, acreditamos que a ancoragem PD desempenha um papel na inibição da expansão de 1SSF.
Embora o SIMS não tenha detectado hidrogênio após o recozimento a 1600 °C, conforme relatado em estudos anteriores, observamos o efeito da implantação de prótons na supressão da expansão do 1SSF, conforme mostrado nas Figuras 1 e 4. 3, 4. Portanto, acreditamos que a DP é ancorada por átomos de hidrogênio com densidade abaixo do limite de detecção do SIMS (2 × 1016 cm-3) ou defeitos pontuais induzidos pela implantação. Deve-se notar que não confirmamos um aumento na resistência no estado ligado devido ao alongamento do 1SSF após uma carga de corrente de surto. Isso pode ser devido a contatos ôhmicos imperfeitos feitos usando nosso processo, que serão eliminados em um futuro próximo.
Em conclusão, desenvolvemos um método de têmpera para estender a BPD para 1SSF em diodos PiN de 4H-SiC usando implantação de prótons antes da fabricação do dispositivo. A deterioração da característica I–V durante a implantação de prótons é insignificante, especialmente em uma dose de prótons de 1012 cm–2, mas o efeito da supressão da expansão de 1SSF é significativo. Embora neste estudo tenhamos fabricado diodos PiN de 10 µm de espessura com implantação de prótons a uma profundidade de 10 µm, ainda é possível otimizar ainda mais as condições de implantação e aplicá-las para fabricar outros tipos de dispositivos de 4H-SiC. Custos adicionais para a fabricação do dispositivo durante a implantação de prótons devem ser considerados, mas serão semelhantes aos da implantação de íons de alumínio, que é o principal processo de fabricação para dispositivos de energia de 4H-SiC. Portanto, a implantação de prótons antes do processamento do dispositivo é um método potencial para fabricar dispositivos de energia bipolar de 4H-SiC sem degeneração.
Uma pastilha de 4H-SiC tipo n de 4 polegadas com espessura de camada epitaxial de 10 µm e concentração de dopagem do doador de 1 × 1016 cm–3 foi utilizada como amostra. Antes do processamento do dispositivo, íons H+ foram implantados na placa com energia de aceleração de 0,95 MeV à temperatura ambiente a uma profundidade de cerca de 10 µm em um ângulo perpendicular à superfície da placa. Durante a implantação de prótons, foi utilizada uma máscara sobre a placa, e a placa apresentou seções sem e com uma dose de prótons de 1012, 1014 ou 1016 cm-2. Em seguida, íons de Al com doses de prótons de 1020 e 1017 cm–3 foram implantados sobre todo o wafer a uma profundidade de 0–0,2 µm e 0,2–0,5 µm da superfície, seguido por recozimento a 1600 °C para formar uma capa de carbono para formar uma camada ap. -tipo. Posteriormente, um contato de Ni do lado traseiro foi depositado no lado do substrato, enquanto um contato do lado frontal de Ti/Al em forma de pente de 2,0 mm × 2,0 mm formado por fotolitografia e um processo de descascamento foi depositado no lado da camada epitaxial. Finalmente, o recozimento de contato é realizado a uma temperatura de 700 °C. Após o corte do wafer em chips, realizamos a caracterização e a aplicação de tensões.
As características I-V dos diodos PiN fabricados foram observadas usando um analisador de parâmetros semicondutores HP4155B. Como estresse elétrico, uma corrente pulsada de 10 milissegundos de 212,5 A/cm² foi introduzida por 2 horas a uma frequência de 10 pulsos/s. Quando escolhemos uma densidade de corrente ou frequência menor, não observamos expansão de 1SSF mesmo em um diodo PiN sem injeção de prótons. Durante a tensão elétrica aplicada, a temperatura do diodo PiN é de cerca de 70 °C sem aquecimento intencional, como mostrado na Figura S8. Imagens eletroluminescentes foram obtidas antes e depois do estresse elétrico a uma densidade de corrente de 25 A/cm². Incidência de reflexão rasante do síncrotron Topografia de raios X usando um feixe de raios X monocromático (λ = 0,15 nm) no Centro de Radiação Síncrotron de Aichi, o vetor ag em BL8S2 é -1-128 ou 11-28 (veja ref. 44 para detalhes). ).
A frequência da tensão a uma densidade de corrente direta de 2,5 A/cm² é extraída com um intervalo de 0,5 V na Figura 2, de acordo com o CVC de cada estado do diodo PiN. A partir do valor médio da tensão V ave e do desvio padrão σ da tensão, traçamos uma curva de distribuição normal na forma de uma linha pontilhada na Figura 2, utilizando a seguinte equação:
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Horário da postagem: 06/11/2022
