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4H-SiC ua faʻatauina e avea o se mea mo masini semiconductor eletise. Ae ui i lea, o le faʻatuatuaina umi o masini 4H-SiC o se faʻalavelave i la latou faʻaoga lautele, ma o le faʻafitauli sili ona taua o le faʻatuatuaina o masini 4H-SiC o le bipolar degradation. O lenei faʻaleagaina e mafua mai i se faʻalavelave faʻapipiʻi e tasi a Shockley (1SSF) faʻasalalauina o vaʻavaʻa vaʻalele i 4H-SiC tioata. O iinei, matou te tuʻuina atu se metotia mo le taofiofia o le faʻalauteleina o le 1SSF e ala i le faʻapipiʻiina o protons i luga o 4H-SiC epitaxial wafers. PiN diodes faia i luga o wafers ma le proton implantation na fa'aalia ai uiga tutusa-voltage pei o diodes e aunoa ma le fa'apipi'iina o le proton. I se faʻatusatusaga, o le faʻalauteleina o le 1SSF o loʻo taofiofia lelei i le diode PiN faʻapipiʻiina. O le mea lea, o le faʻapipiʻiina o protons i totonu o le 4H-SiC epitaxial wafers o se auala aoga mo le taofiofia o le faʻaleagaina o le bipolar o masini semiconductor eletise 4H-SiC aʻo tausia le faʻatinoga o masini. O lenei taunuuga e saofagā i le atinaʻeina o masini 4H-SiC sili ona faʻatuatuaina.
Silicon carbide (SiC) ua lauiloa lautele o se mea semiconductor mo masini semiconductor maualuga-maualuga, e mafai ona faagaoioia i siosiomaga faigata1. E tele SiC polytypes, e aofia ai le 4H-SiC e sili ona lelei le masini semiconductor mea fa'aletino e pei o le maualuga o le eletise eletise ma le malosi o le eletise eletise2. 4H-SiC wafers ma le lautele o le 6 inisi o loʻo faʻatau pisinisi ma faʻaaogaina mo le tele o gaosiga o masini semiconductor eletise. O faiga fa'apipi'i mo ta'avale eletise ma nofoaafi na fa'aaogaina e fa'aaoga ai masini semiconductor eletise 4H-SiC4.5. Ae ui i lea, o masini 4H-SiC o loʻo mafatia pea i mataupu faʻalagolago i taimi uumi e pei o le malepelepe o le dielectric poʻo le faʻalagolago i le puʻupuʻu, 6,7 o se tasi o mataupu faʻalagolago sili ona taua o le bipolar degradation2,8,9,10,11. O lenei fa'aleagaina o le bipolar na maua i luga o le 20 tausaga talu ai ma ua leva ona avea ma fa'afitauli i le gaosiga o masini SiC.
Bipolar degradation e mafua mai i se tasi Shockley stack defect (1SSF) i tioata 4H-SiC ma le basal plane dislocations (BPDs) faʻalauteleina e ala i le toe faʻaleleia atili o le faʻafefe (REDG)12,13,14,15,16,17,18,19. O le mea lea, afai o le faʻalauteleina o le BPD e taofiofia i le 1SSF, e mafai ona faʻaogaina masini eletise 4H-SiC e aunoa ma le faʻaleagaina o le bipolar. E tele auala na lipotia mai e taofia ai le faʻalauteleina o le BPD, e pei o le BPD i le Thread Edge Dislocation (TED) suiga 20,21,22,23,24. I le SiC epitaxial wafers sili ona lata mai, o le BPD e masani lava ona i ai i totonu o le substrate ae le o le epitaxial layer ona o le liua o le BPD i le TED i le taimi muamua o le tuputupu aʻe o le epitaxial. O le mea lea, o le faʻafitauli o loʻo totoe o le faʻaleagaina o le bipolar o le tufatufaina atu lea o le BPD i le substrate 25,26,27. O le faʻaofiina o se "faʻapipiʻi faʻamalosi faʻapipiʻi" i le va o le taʻavale ma le substrate ua faʻatulagaina e avea o se auala aoga mo le taofiofia o le faʻalauteleina o le BPD i le substrate28, 29, 30, 31. O lenei laulau e faʻateleina ai le avanoa o le toe faʻapipiʻiina o paipa eletise eletise i le. epitaxial layer ma le SiC substrate. Faʻaitiitia le numera o paʻu eletise-puʻu e faʻaitiitia ai le malosi o le REDG i le BPD i le mea faʻapipiʻi, o lea e mafai ai e le faʻapipiʻi faʻamalosi faʻapipiʻi ona taofia le faʻaleagaina o le bipolar. E tatau ona maitauina o le faʻaofiina o se layer e aofia ai tau faaopoopo i le gaosiga o wafers, ma a aunoa ma le faʻaofiina o se layer e faigata ona faʻaitiitia le numera o paʻu eletise e ala i le puleaina naʻo le puleaina o le ola o le ave. O le mea lea, o loʻo i ai pea se manaʻoga malosi e atiaʻe isi auala faʻamalosi e ausia ai se paleni sili atu i le va o le gaosiga o masini ma le gaosiga.
Talu ai ona o le fa'alauteleina o le BPD i le 1SSF e mana'omia ai le fa'agaoioia o vaega fa'aletonu (PDs), o le fa'apipi'iina o le PD o se auala fa'amoemoe e taofia ai le fa'aleagaina o le bipolar. E ui lava o le PD faʻapipiʻiina e ala i le uʻamea eleelea ua lipotia mai, o FPD i 4H-SiC substrates o loʻo tu i se mamao e sili atu i le 5 μm mai luga o le epitaxial layer. E le gata i lea, talu ai o le faʻasalalauga faʻatasi o soʻo se uʻamea i totonu o le SiC e laʻititi tele, e faigata ai ona faʻasalalau mea eleelea i totonu o le substrate34. Ona o le tele o le atomic mass o metals, e faigata foi ona faʻapipiʻiina ion o metals. I se eseesega, i le tulaga o le hydrogen, o le elemene sili ona mama, ions (protons) e mafai ona totoina i le 4H-SiC i le loloto o le sili atu i le 10 μm e faʻaaoga ai le MeV-vasega faʻavave. O le mea lea, afai o le faʻapipiʻiina o le proton e aʻafia ai le pine o le PD, ona mafai lea ona faʻaaogaina e taofia ai le faʻalauteleina o le BPD i le meaʻai. Ae ui i lea, o le faʻapipiʻiina o le proton e mafai ona faʻaleagaina le 4H-SiC ma faʻaitiitia ai le faʻatinoga o masini37,38,39,40.
Ina ia faʻatoʻilaloina le faʻaleagaina o masini ona o le faʻapipiʻiina o le proton, e faʻaaogaina le faʻaogaina o le vevela maualuga e toe faʻaleleia ai mea leaga, e tutusa ma le faʻaogaina o auala e masani ona faʻaaogaina pe a uma le faʻaogaina o le ion acceptor i le gaosiga o masini1, 40, 41, 42. E ui lava o le lua ion mass spectrometry (SIMS)43 ua lipotia le faʻasalalauina o le hydrogen ona o le maualuga o le vevela, e mafai ona naʻo le mamafa o le hydrogen atoms latalata i le FD e le lava. e iloa ai le pine o le PR e faʻaaoga ai SIMS. O le mea lea, i lenei suʻesuʻega, matou te totoina protons i le 4H-SiC epitaxial wafers aʻo leʻi faia le faʻagasologa o masini, e aofia ai le vevela maualuga. Na matou faʻaogaina PiN diodes e fai ma faʻataʻitaʻiga masini masini ma faʻapipiʻiina i luga o le 4H-SiC epitaxial wafers ua faʻapipiʻiina. Ona matou matauina lea o uiga volt-ampere e suʻesuʻe ai le faʻaleagaina o le faʻatinoga o masini ona o le tui proton. Mulimuli ane, na matou matauina le faʻalauteleina o le 1SSF i ata electroluminescence (EL) pe a uma ona faʻaogaina se eletise eletise i le PiN diode. Mulimuli ane, matou faʻamaonia le aʻafiaga o tui proton i le taofiofia o le faʻalauteleina o le 1SSF.
I luga o le fig. O le Ata 1 o lo'o fa'aalia ai uiga o lo'o i ai nei-voltage (CVCs) o PiN diodes i le vevela o le potu i itulagi fa'atasi ma e aunoa ma le fa'apipi'iina o le proton a'o le'i o'o i le taimi. PiN diodes ma proton tui fa'aalia uiga fa'asa'o e tutusa ma diodes e aunoa ma le tui proton, e ui lava o uiga IV e fa'asoa i le va o diodes. Ina ia faʻaalia le eseesega i le va o tuʻutuʻuga o tui, matou te faʻaogaina le eletise eletise i le maualuga o loʻo i luma o le 2.5 A / cm2 (e fetaui ma le 100 mA) e pei o se fuainumera fuainumera e pei ona faʻaalia i le Ata 2. O le pupuni e faʻatatau i se tufatufa masani o loʻo faʻatusalia foi. e ala i se laina togitogi. laina. E pei ona mafai ona vaʻaia mai tumutumu o pupuni, o le on-resistance e faʻatupulaʻia teisi i le proton doses o le 1014 ma le 1016 cm-2, aʻo le PiN diode ma le proton dose o le 1012 cm-2 o loʻo faʻaalia toetoe lava tutusa uiga e aunoa ma le faʻapipiʻiina o le proton. . Na matou faia foi le faʻaogaina o le proton i le maeʻa ai o le fausiaina o PiN diodes e leʻi faʻaalia le electroluminescence tutusa ona o le faʻaleagaina na mafua mai i le faʻaogaina o le proton e pei ona faʻaalia i le Ata S1 e pei ona faʻamatalaina i suʻesuʻega muamua37,38,39. O le mea lea, o le faʻapipiʻiina i le 1600 ° C ina ua maeʻa le faʻapipiʻiina o Al ion o se faiga talafeagai e faʻaogaina ai masini e faʻagaoioia ai le Al acceptor, lea e mafai ona toe faʻaleleia le faʻaleagaina e mafua mai i le faʻapipiʻiina o le proton, lea e tutusa ai le CVC i le va o le faʻapipiʻiina ma le le faʻapipiʻiina o le proton PiN diodes. . Ole suiga ole taimi nei ile -5 V o loʻo faʻaalia foi ile Ata S2, e leai se eseesega tele i le va o diodes ma le leai o se tui proton.
Volt-ampere uiga o PiN diodes ma ma e aunoa ma tui protons i le vevela potu. O le tala fa'atusa o lo'o fa'ailoa mai ai le fua o protons.
Ole tele ole va'a ile taimi nei 2.5 A/cm2 mo PiN diodes fa'atasi ma protons tui ma le le tui. O le laina togitogi e fetaui ma le tufatufaina masani.
I luga o le fig. 3 o loʻo faʻaalia ai se ata EL o se PiN diode ma le maualuga o loʻo iai nei o le 25 A / cm2 pe a uma le voltage. Aʻo leʻi faʻaogaina le avega o loʻo i ai nei, e leʻi matauina vaega pogisa o le diode, e pei ona faʻaalia i le Ata 3. C2. Peitaʻi, e pei ona faaalia i le fig. 3a, i totonu o le PiN diode e aunoa ma le faʻapipiʻiina o le proton, o le tele o vaega lanu uliuli ma pito malamalama na matauina ina ua uma ona faʻaogaina se eletise eletise. O ia vaega pogisa e pei o le tootoo o loʻo matauina i ata EL mo le 1SSF faʻalautele mai le BPD i le substrate28,29. Nai lo lena, o nisi faʻalavelave faʻapipiʻi faʻalautele na matauina i PiN diodes ma faʻapipiʻiina protons, e pei ona faʻaalia i le Ata 3b-d. I le faʻaaogaina o le X-ray topography, na matou faʻamaonia ai le i ai o PRs e mafai ona alu ese mai le BPD i le substrate i le pito i tua o fesoʻotaʻiga i le PiN diode e aunoa ma le tui o le proton (Fig. 4: o lenei ata e aunoa ma le aveeseina o le eletise pito i luga (ata, PR). i lalo ole electrodes e le o vaaia). o loʻo faʻaalia i Ata 1 ma 2. Vitio S3-S6 faʻatasi ma e aunoa ma ni vaega pogisa lautele (taimi-vary EL ata o PiN diodes e aunoa ma le tui proton ma faʻapipiʻi ile 1014 cm-2) o loʻo faʻaalia foi i Faʻamatalaga Faʻaopoopo.
EL ata o PiN diodes i le 25 A/cm2 pe a uma le 2 itula o le faʻamalosi eletise (a) e aunoa ma le faʻapipiʻiina o le proton ma faʻapipiʻi tui o (b) 1012 cm-2, (c) 1014 cm-2 ma (d) 1016 cm-2 protons .
Na matou fuafuaina le tele o le faʻalauteleina o le 1SSF e ala i le faʻatusatusaina o nofoaga pogisa ma pito susulu i le tolu PiN diodes mo tulaga taʻitasi, e pei ona faʻaalia i le Ata 5. O le mamafa o le faʻalauteleina o le 1SSF e faʻaitiitia i le faʻateleina o le fua o le proton, ma e oʻo lava i se fua o le 1012 cm-2, o le mamafa o le faʻalauteleina 1SSF e matua maualalo ifo nai lo le piN diode e le faʻapipiʻiina.
Faʻateleina densities o SF PiN diodes faatasi ai ma le leai o le proton implantation ina ua uma ona utaina i le taimi nei pulsed (o setete taitasi e aofia ai le tolu utaina diodes).
O le fa'apu'upu'u o le ola o le va'a e a'afia ai fo'i le fa'ateleina o le taofiofia, ma o le tui proton e fa'aitiitia ai le ola o le va'a32,36. Ua matou matauina le ola o le ave taavale i totonu o se epitaxial layer 60 µm mafiafia ma tui tui o le 1014 cm-2. Mai le taimi muamua o le ave taavale, e ui lava o le implant e faʻaitiitia le tau i le ~ 10%, o le faʻasolosolo mulimuli ane toe faʻafoʻi i le ~ 50%, e pei ona faʻaalia i le Ata S7. O le mea lea, o le ola o le avetaʻavale, faʻaitiitia ona o le faʻapipiʻiina o le proton, e toe faʻafoʻisia e ala i le vevela maualuga. E ui lava o le 50% faʻaitiitiga i le ola vaʻaia e taofia ai foi le faʻasalalauina o faʻalavelave faʻapipiʻi, o uiga I-V, lea e masani ona faʻalagolago i le ola o le vaʻavaʻa, e faʻaalia ai na o nai eseesega laiti i le va o le tui ma le le totoina o diodes. O le mea lea, matou te talitonu o le taula o le PD e iai sona sao i le taofia o le faʻalauteleina o le 1SSF.
E ui lava e leʻi iloa e le SIMS le hydrogen i le maeʻa ai o le faʻafefe i le 1600 ° C, e pei ona lipotia i suʻesuʻega talu ai, na matou matauina le aʻafiaga o le faʻapipiʻiina o le proton i luga o le taofiofia o le faʻalauteleina o le 1SSF, e pei ona faʻaalia i ata 1 ma 4. 3, 4. O le mea lea, matou te talitonu ai. o le PD o loʻo taula i le hydrogen atoms ma le mamafa i lalo ifo o le faʻatapulaʻaina o le SIMS (2 × 1016 cm-3) poʻo faʻafitauli faʻaletonu e mafua mai. totōina. E tatau ona maitauina matou te leʻi faʻamaonia se faʻaopoopoga o le tetee i luga o le setete ona o le faʻalauteleina o le 1SSF pe a maeʻa le siʻitia o le uta o loʻo i ai nei. Atonu e mafua ona o feso'ota'iga ohmic le atoatoa na fa'aogaina i la tatou fa'agasologa, lea o le a fa'aumatia i se taimi lata mai.
I le faaiuga, na matou fausia se auala faʻafefe mo le faʻalauteleina o le BPD i le 1SSF i 4H-SiC PiN diodes e faʻaaoga ai le faʻaogaina o le proton aʻo leʻi faia le masini. O le faʻaleagaina o le uiga o le I-V i le taimi o le faʻapipiʻiina o le proton e le taua, aemaise lava i le fua o le proton o le 1012 cm-2, ae o le aʻafiaga o le taofiofia o le faʻalauteleina o le 1SSF e taua tele. E ui lava i lenei suʻesuʻega na matou faia ai le 10 μm mafiafia PiN diodes faʻatasi ai ma le faʻapipiʻiina o le proton i le loloto o le 10 μm, e mafai lava ona faʻaleleia atili tulaga faʻapipiʻi ma faʻaoga i latou e fai ai isi ituaiga o masini 4H-SiC. O tau faʻaopoopo mo le faʻaogaina o masini i le taimi o le faʻapipiʻiina o le proton e tatau ona mafaufauina, ae o le a tutusa i latou mo le faʻapipiʻiina o le alumini ion, o le faʻagasologa autu o le gaosiga mo masini eletise 4H-SiC. O le mea lea, o le faʻapipiʻiina o le proton aʻo leʻi faʻaogaina masini o se auala talafeagai mo le fausiaina o masini eletise 4H-SiC e aunoa ma le faʻaleagaina.
O le 4-inisi n-type 4H-SiC wafer faʻatasi ai ma le mafiafia o le epitaxial layer o le 10 μm ma le faʻaogaina o le doping o le 1 × 1016 cm-3 na faʻaaogaina e fai ma faʻataʻitaʻiga. Aʻo leʻi faʻaogaina le masini, na faʻapipiʻi le H + ions i totonu o le ipu ma le malosi faʻavavevave o le 0.95 MeV i le vevela o le potu i le loloto o le 10 μm i se tulaga masani i luga o le ipu. I le taimi o le faʻapipiʻiina o le proton, sa faʻaaogaina se ufimata i luga o se ipu, ma o le ipu na i ai ni vaega e aunoa ma le faʻaogaina o le proton dose o le 1012, 1014, poʻo le 1016 cm-2. Ona, o Al ion ma fua o le proton o le 1020 ma le 1017 cm-3 na totoina i luga o le wafer atoa i le loloto o le 0-0.2 μm ma le 0.2-0.5 μm mai luga, sosoo ai ma le faʻafefe i le 1600 ° C e fausia ai se pulou kaponi i. fai ap layer. -ituaiga. Mulimuli ane, o se itu pito i tua Ni faʻafesoʻotaʻi na teuina i luga o le itu substrate, ae o le 2.0 mm × 2.0 mm foliga faʻafesoʻotaʻi Ti / Al pito i luma na faia e photolithography ma se faiga paʻu na teuina i luga o le itu epitaxial layer. Mulimuli ane, fa'afeso'ota'i annealing faia i le vevela o le 700 °C. Ina ua uma ona tipiina le wafer i ni tupe meataalo, sa matou faia le faʻamatalaga faʻamalosi ma le faʻaogaina.
O uiga I-V o diodes PiN faʻapipiʻiina na matauina i le faʻaaogaina o le HP4155B semiconductor parameter analyzer. I le avea ai o se eletise eletise, o le 10-milisecond pulsed current o le 212.5 A / cm2 na faʻafeiloaʻi mo le 2 itula i le taimi ole 10 pulses / sec. Ina ua matou filifilia se maualuga maualalo poʻo taimi masani, matou te leʻi matauina le faʻalauteleina o le 1SSF e oʻo lava i se PiN diode e aunoa ma le tui proton. I le taimi o le eletise eletise faʻaaogaina, o le vevela o le PiN diode e tusa ma le 70 ° C e aunoa ma le faʻamafanafanaina, e pei ona faʻaalia i le Ata S8. Electroluminescent ata na maua aʻo leʻi maeʻa ma pe a maeʻa le mamafa o le eletise i le maualuga o le 25 A / cm2. Synchrotron reflectance grazing incidence X-ray topography e fa'aaoga ai le X-ray beam (λ = 0.15 nm) i le Aichi Synchrotron Radiation Center, o le ag vector i le BL8S2 o le -1-128 po'o le 11-28 (silasila i le ref. 44 mo auiliiliga) . ).
Ole tele ole voltage ile maualuga ole agai i luma ole 2.5 A/cm2 ua maua mai ile va ole 0.5 V ile ata. 2 e tusa ai ma le CVC o setete taʻitasi o le PiN diode. Mai le tau fa'atatau o le fa'amamafa Vave ma le va'aiga masani σ o le fa'amamafa, matou te fa'atulagaina se fa'asologa masani fa'asoa i le tulaga o se laina togitogi i le Ata 2 e fa'aaoga ai le fa'atusa:
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Taimi meli: Nov-06-2022
