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A 4H-SIC foi comercializada como material para dispositivos semicondutores de energia. No entanto, a confiabilidade a longo prazo dos dispositivos 4H-SIC é um obstáculo à sua ampla aplicação, e o problema de confiabilidade mais importante dos dispositivos 4H-SIC é a degradação bipolar. Essa degradação é causada por uma única propagação de falha de empilhamento de Shockley (1SSF) de luxações de planos basais em cristais 4H-SIC. Aqui, propomos um método para suprimir a expansão 1SSF, implantando prótons nas bolachas epitaxiais 4H-SIC. Os diodos de pino fabricados em bolachas com implante de prótons mostraram as mesmas características de tensão de corrente que os diodos sem implantação de prótons. Por outro lado, a expansão de 1SSF é efetivamente suprimida no diodo pino implementado por próton. Assim, a implantação de prótons em bolachas epitaxiais 4H-SIC é um método eficaz para suprimir a degradação bipolar dos dispositivos semicondutores de energia 4H-SIC, mantendo o desempenho do dispositivo. Esse resultado contribui para o desenvolvimento de dispositivos 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 agressivos1. Existem muitos polióticos do SiC, entre os quais o 4H-SIC possui excelentes propriedades físicas do dispositivo semicondutor, como alta mobilidade de elétrons e forte ruptura do campo elétrico2. As bolachas 4H-SIC com um diâmetro de 6 polegadas são atualmente comercializadas e usadas para a produção em massa de dispositivos semicondutores de potência3. Os sistemas de tração para veículos e trens elétricos foram fabricados usando dispositivos semicondutores 4H-SIC4.5. No entanto, os dispositivos 4H-SIC ainda sofrem de problemas de confiabilidade de longo prazo, como quebra 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 SiC.
A degradação bipolar é causada por um único defeito de pilha Shockley (1SSF) em cristais 4H-SIC com deslocamentos de planos basais (BPDs) propagando por recombinação aumentada de deslocamento (REDG) 12,13,14,15,16,18,19. Portanto, se a expansão do BPD for suprimida para 1SSF, os dispositivos de energia 4H-SIC podem ser fabricados sem degradação bipolar. Vários métodos foram relatados para suprimir a propagação da DBP, como a transformação de deslocamento da borda da borda do encadeamento (TED) 20,21,22,23,24. Nas mais recentes bolachas epitaxiais do SIC, 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 de DBP no substrato 25,26,27. 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 da DBP no substrato28, 29, 30, 31. Esta camada aumenta a probabilidade da recombinação de pares de elétrons na camada epitaxial e no substrato SIC. Reduzir o número de pares de elétrons reduz a força motriz do REDG para a DBP no substrato, para que a camada de reforço composto possa suprimir a degradação bipolar. Deve-se notar que a inserção de uma camada implica custos adicionais na produção de bolachas e, sem a inserção de uma camada, é difícil reduzir o número de pares de orifícios de elétrons, controlando apenas o controle da vida útil da transportadora. Portanto, ainda há uma forte necessidade de desenvolver outros métodos de supressão para alcançar um melhor equilíbrio entre o custo e o rendimento de fabricação de dispositivos.
Como a extensão do BPD a 1SSF requer movimento de luxações parciais (PDS), a fixação da PD é uma abordagem promissora para inibir a degradação bipolar. Embora a fixação de Pd por impurezas de metal tenha sido relatada, os FPDs em substratos 4H-SiC estão localizados a uma distância superior a 5 μm da superfície da camada epitaxial. Além disso, como o coeficiente de difusão de qualquer metal no SiC é muito pequeno, é difícil para as impurezas metálicas se difundir no substrato34. Devido à massa atômica relativamente grande de metais, o implante de íons de metais também é difícil. Por outro lado, no caso de hidrogênio, o elemento mais leve, os íons (prótons) podem ser implantados em 4H-SiC a uma profundidade de mais de 10 µm usando um acelerador da classe MEV. Portanto, se o implante de prótons afetar a fixação da PD, ele poderá ser usado para suprimir a propagação da DBP no substrato. No entanto, o implante de prótons pode danificar 4H-SIC e resultar em desempenho reduzido do dispositivo37,38,39,40.
To overcome device degradation due to proton implantation, high-temperature annealing is used to repair damage, similar to the annealing method commonly used after acceptor ion implantation in device processing1, 40, 41, 42. Although secondary ion mass spectrometry (SIMS)43 has reported hydrogen diffusion due to high-temperature annealing, it is possible that only the density of hydrogen atoms near the FD is not enough to detect the pinning of o PR usando sims. Portanto, neste estudo, implantamos prótons em bolachas epitaxiais 4H-SIC antes do processo de fabricação de dispositivos, incluindo recozimento de alta temperatura. Utilizamos diodos PIN como estruturas experimentais de dispositivos e os fabricamos em bolachas epitaxiais 4H-SIC de próton. Em seguida, observamos as características do Volt-Amamre para estudar a degradação do desempenho do dispositivo devido à injeção de prótons. Posteriormente, observamos a expansão de 1SSF em imagens de eletroluminescência (EL) após aplicar uma tensão elétrica no diodo PIN. Finalmente, confirmamos o efeito da injeção de prótons na supressão da expansão 1SSF.
Na fig. A Figura 1 mostra as características de corrente -tensão (CVCs) dos diodos PIN à temperatura ambiente em regiões com e sem implantação de prótons antes da corrente pulsada. Diodos de pino com injeção de prótons mostram características de retificação semelhantes aos diodos sem injeção de prótons, mesmo que as características 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, como mostrado na Figura 2. A curva aproximada por uma distribuição normal também é representada por uma linha pontilhada. linha. Como pode ser visto nos picos das curvas, a em 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 mostra quase as mesmas características que sem implantação de prótons. Também realizamos implante de prótons após a fabricação de diodos PIN que não exibiram eletroluminescência uniforme devido a danos causados pelo implante de prótons, como mostrado na Figura S1, conforme descrito em estudos anteriores 37,38,39. Portanto, o recozimento a 1600 ° C após a implantação de íons Al é um processo necessário para fabricar dispositivos para ativar o aceitador de AL, que pode reparar os danos causados pelo implante de prótons, o que torna os CVCs o mesmo entre diodos de pino de prótons implantados e não implantados. A frequência de corrente reversa em -5 V também é apresentada na Figura S2, não há diferença significativa entre diodos com e sem injeção de prótons.
Características do Volt-Amamre de diodos PIN com e sem prótons injetados à temperatura ambiente. A lenda indica a dose de prótons.
Frequência de tensão na corrente direta 2,5 a/cm2 para diodos PIN com prótons injetados e não injetados. A linha pontilhada corresponde à distribuição normal.
Na fig. 3 mostra uma imagem EL de um diodo PIN com uma densidade de corrente de 25 a/cm2 após a tensão. Antes de aplicar a 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 pino sem implantação de prótons, várias regiões listradas escuras com bordas claras foram observadas após a aplicação de uma tensão elétrica. Essas regiões escuras em forma de haste são observadas nas imagens EL para 1SSF que se estendem do BPD no substrato28,29. Em vez disso, algumas falhas de empilhamento estendidas foram observadas em diodos pinos com prótons implantados, como mostrado na Fig. 3b - d. Usando a 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 (PR de um ladra de ladrões não é visível). Portanto, a área de escuro na imagem. Mostrados nas Figuras 1 e 2. Vídeos S3-S6 com e sem áreas escuras estendidas (imagens EL que variam no tempo de diodos PIN sem injeção de prótons e implantadas a 1014 cm-2) também são mostradas em informações suplementares.
Imagens EL de diodos pinos a 25 a/cm2 após 2 horas de tensão elétrica (a) sem implantação de prótons e com doses implantadas de (b) 1012 cm-2, (c) 1014 cm-2 e (d) protons 1016 cm-2.
Calculamos a densidade de 1SSF expandida calculando áreas escuras com bordas brilhantes em três diodos de pinos para cada condição, como mostrado na Figura 5. A densidade de 1SSF expandida diminui com o aumento da dose de prótons e, mesmo em uma dose de 1012 cm-2, a densidade de 1SF expandida é significativamente menor que em um pinador não figurativo.
Densidades aumentadas de diodos de pino SF com e sem implante de prótons após o carregamento com uma corrente pulsada (cada estado incluía três diodos carregados).
A redução da vida útil da transportadora também afeta a supressão de expansão e a injeção de prótons reduz a vida útil 32,36. Observamos a vida útil da transportadora em uma camada epitaxial de 60 µm de espessura com prótons injetados de 1014 cm-2. Da vida útil inicial da transportadora, embora o implante reduz o valor para ~ 10%, o recozimento subsequente o restaura a ~ 50%, como mostrado na Fig. S7. Portanto, a vida útil da transportadora, reduzida devido ao implante de prótons, é restaurada por recozimento de alta temperatura. Embora uma redução de 50% na vida útil da transportadora também suprime a propagação de falhas de empilhamento, as características I-V, que normalmente dependem da vida útil da transportadora, mostram apenas pequenas diferenças entre diodos injetados e não implantados. Portanto, acreditamos que a ancoragem da DP desempenha um papel na inibição da expansão do 1SSF.
Embora os sims não detectassem hidrogênio após o recozimento a 1600 ° C, conforme relatado em estudos anteriores, observamos o efeito da implantação de prótons na supressão da expansão de 1SSF, como mostrado nas Figuras 1 e 4. Deve-se notar que não confirmamos um aumento na resistência no estado devido ao alongamento de 1SSF após uma carga de corrente de surto. Isso pode ser devido a contatos ôhmicos imperfeitos feitos usando nosso processo, que será eliminado em um futuro próximo.
Em conclusão, desenvolvemos um método de extinção para estender o BPD a 1SSF em diodos de pinos 4H-SiC usando a implantação de prótons antes da fabricação de dispositivos. 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 de suprimir a expansão de 1SSF é significativo. Embora, neste estudo, fabricamos diodos 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 4H-SIC. Custos adicionais para fabricação de dispositivos durante o implante de prótons devem ser considerados, mas serão semelhantes aos do implante de íons de alumínio, que é o principal processo de fabricação para dispositivos de energia 4H-SIC. Assim, o implante de prótons antes do processamento do dispositivo é um método potencial para fabricar dispositivos de energia bipolar 4H-SiC sem degeneração.
Uma bolacha 4H-SIC do tipo N de 4 polegadas com uma espessura da camada epitaxial de 10 µm e uma concentração de dopagem de doador de 1 × 1016 cm-3 foi usada como amostra. Antes de processar o dispositivo, os íons H+ foram implantados na placa com uma energia de aceleração de 0,95 MeV à temperatura ambiente a uma profundidade de cerca de 10 μm em um ângulo normal na superfície da placa. Durante a implantação de prótons, foi usada uma máscara em uma placa e a placa tinha seções sem e com uma dose de prótons de 1012, 1014 ou 1016 cm-2. Em seguida, os íons AL com doses de prótons de 1020 e 1017 cm - 3 foram implantados em toda a bolacha a uma profundidade de 0 a 0,2 µm e 0,2-0,5 µm da superfície, seguida de recozimento a 1600 ° C para formar uma tampa de carbono para formar a camada AP. -tipo. Posteriormente, um contato NI do lado traseiro foi depositado no lado do substrato, enquanto um contato do lado frontal Ti/Al de 2,0 mm × 2,0 mm formado em formado por fotolitografia e um processo de casca foi depositado no lado da camada epitaxial. Finalmente, o recozimento de contato é realizado a uma temperatura de 700 ° C. Depois de cortar a bolacha em chips, realizamos a caracterização e a aplicação do estresse.
As características I -V dos diodos pinos fabricados foram observados usando um analisador de parâmetros de semicondutores HP4155B. Como tensão elétrica, 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 ou frequência de corrente mais baixa, não observamos a 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. As imagens eletroluminescentes foram obtidas antes e após o estresse elétrico a uma densidade de corrente de 25 a/cm2. Topografia de raios-X de reflexão de reflexão síncrotron usando um feixe de raios X monocromático (λ = 0,15 nm) no centro de radiação síncrotron Aichi, o vetor Ag no BL8S2 é -1-128 ou 11-28 (ver ref. 44 para detalhes). ).
A frequência de tensão a uma densidade de corrente direta de 2,5 a/cm2 é extraída com um intervalo de 0,5 V na FIG. 2 De acordo com o CVC de cada estado do diodo PIN. A partir do valor médio do vAVE do estresse e do desvio padrão σ da tensão, traçamos uma curva de distribuição normal na forma de uma linha pontilhada na Figura 2 usando a seguinte equação:
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Hora de postagem: Nov-06-2022
