SiC మరియు GaN పవర్ పరికరాలలో అయాన్ ఇంప్లాంటేషన్ టెక్నాలజీ యొక్క సవాళ్లు

వైడ్ బ్యాండ్‌గ్యాప్ (WBG) సెమీకండక్టర్లు వంటివిసిలి కాన్ కార్బైడ్(SiC) మరియుగాలియం నైట్రైడ్(GaN) పవర్ ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాలలో ముఖ్యమైన పాత్ర పోషిస్తుందని భావిస్తున్నారు. సాంప్రదాయ సిలికాన్ (Si) పరికరాల కంటే అధిక సామర్థ్యం, ​​శక్తి సాంద్రత మరియు స్విచ్చింగ్ ఫ్రీక్వెన్సీతో సహా అనేక ప్రయోజనాలను వారు అందిస్తారు.అయాన్ ఇంప్లాంటేషన్Si పరికరాలలో సెలెక్టివ్ డోపింగ్‌ని సాధించడానికి ప్రాథమిక పద్ధతి. అయినప్పటికీ, విస్తృత బ్యాండ్‌గ్యాప్ పరికరాలకు దీన్ని వర్తింపజేసేటప్పుడు కొన్ని సవాళ్లు ఉన్నాయి. ఈ కథనంలో, మేము ఈ సవాళ్లలో కొన్నింటిపై దృష్టి పెడతాము మరియు GaN పవర్ పరికరాలలో వాటి సంభావ్య అనువర్తనాలను సంగ్రహిస్తాము.

01

అనేక అంశాలు ఆచరణాత్మక ఉపయోగాన్ని నిర్ణయిస్తాయిడోపాంట్ పదార్థాలుసెమీకండక్టర్ పరికరాల తయారీలో:

ఆక్రమిత లాటిస్ సైట్‌లలో తక్కువ అయనీకరణ శక్తి. Si అయనీకరణం చేయగల నిస్సార దాతలు (n-రకం డోపింగ్ కోసం) మరియు అంగీకరించేవారు (p-రకం డోపింగ్ కోసం) మూలకాలను కలిగి ఉంది. బ్యాండ్‌గ్యాప్‌లోని లోతైన శక్తి స్థాయిలు పేలవమైన అయనీకరణకు దారితీస్తాయి, ప్రత్యేకించి గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద, ఇచ్చిన మోతాదుకు తక్కువ వాహకతకు దారి తీస్తుంది.వాణిజ్య అయాన్ ఇంప్లాంటర్‌లలో అయనీకరణం చేయగల మరియు ఇంజెక్ట్ చేయగల మూల పదార్థాలు. ఘన మరియు వాయువు మూల పదార్థాల సమ్మేళనాలను ఉపయోగించవచ్చు మరియు వాటి ఆచరణాత్మక ఉపయోగం ఉష్ణోగ్రత స్థిరత్వం, భద్రత, అయాన్ ఉత్పత్తి సామర్థ్యం, ​​సామూహిక విభజన కోసం ప్రత్యేకమైన అయాన్‌లను ఉత్పత్తి చేయగల సామర్థ్యం మరియు కావలసిన శక్తి ఇంప్లాంటేషన్ లోతును సాధించడంపై ఆధారపడి ఉంటుంది.

వాణిజ్య అయాన్ ఇంప్లాంటర్లలో అయనీకరణం చేయగల మరియు ఇంజెక్ట్ చేయగల మూల పదార్థాలు. ఘన మరియు వాయువు మూల పదార్థాల సమ్మేళనాలను ఉపయోగించవచ్చు మరియు వాటి ఆచరణాత్మక ఉపయోగం ఉష్ణోగ్రత స్థిరత్వం, భద్రత, అయాన్ ఉత్పత్తి సామర్థ్యం, ​​సామూహిక విభజన కోసం ప్రత్యేకమైన అయాన్‌లను ఉత్పత్తి చేయగల సామర్థ్యం మరియు కావలసిన శక్తి ఇంప్లాంటేషన్ లోతును సాధించడంపై ఆధారపడి ఉంటుంది.

పట్టిక 1: SiC మరియు GaN పవర్ పరికరాలలో ఉపయోగించే సాధారణ డోపాంట్ జాతులు

అమర్చిన పదార్థం లోపల వ్యాప్తి రేట్లు. సాధారణ పోస్ట్-ఇంప్లాంట్ ఎనియలింగ్ పరిస్థితులలో అధిక వ్యాప్తి రేట్లు పరికరం యొక్క అవాంఛనీయ ప్రాంతాలలో అనియంత్రిత జంక్షన్‌లు మరియు డోపాంట్ వ్యాప్తికి దారి తీయవచ్చు, ఫలితంగా పరికర పనితీరు క్షీణిస్తుంది.

యాక్టివేషన్ మరియు నష్టం రికవరీ. డోపాంట్ యాక్టివేషన్‌లో అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద ఖాళీలను సృష్టించడం ఉంటుంది, అమర్చిన అయాన్‌లు ఇంటర్‌స్టీషియల్ స్థానాల నుండి ప్రత్యామ్నాయ జాలక స్థానాలకు మారడానికి అనుమతిస్తుంది. ఇంప్లాంటేషన్ ప్రక్రియలో ఏర్పడిన అమోర్ఫైజేషన్ మరియు క్రిస్టల్ లోపాలను సరిచేయడానికి డ్యామేజ్ రికవరీ చాలా కీలకం.

SiC మరియు GaN పరికర తయారీలో సాధారణంగా ఉపయోగించే కొన్ని డోపాంట్ జాతులు మరియు వాటి అయనీకరణ శక్తులను టేబుల్ 1 జాబితా చేస్తుంది.

SiC మరియు GaN రెండింటిలోనూ n-రకం డోపింగ్ నిస్సారమైన డోపాంట్‌లతో సాపేక్షంగా సూటిగా ఉంటుంది, అయాన్ ఇంప్లాంటేషన్ ద్వారా p-టైప్ డోపింగ్‌ను రూపొందించడంలో కీలకమైన సవాలు అందుబాటులో ఉన్న మూలకాల యొక్క అధిక అయనీకరణ శక్తి.

02

కొన్ని కీ ఇంప్లాంటేషన్ మరియుఎనియలింగ్ లక్షణాలుGaNలో ఇవి ఉన్నాయి:

SiC వలె కాకుండా, గది ఉష్ణోగ్రతతో పోలిస్తే హాట్ ఇంప్లాంటేషన్‌ను ఉపయోగించడంలో గణనీయమైన ప్రయోజనం లేదు.

GaN కోసం, సాధారణంగా ఉపయోగించే n-రకం డోపాంట్ Si అనేది ఆంబిపోలార్ కావచ్చు, n-రకం మరియు/లేదా p-రకం ప్రవర్తనను దాని ఆక్యుపేషన్ సైట్‌ని బట్టి ప్రదర్శిస్తుంది. ఇది GaN వృద్ధి పరిస్థితులపై ఆధారపడి ఉండవచ్చు మరియు పాక్షిక పరిహారం ప్రభావాలకు దారితీయవచ్చు.

తీయని GaNలో అధిక నేపథ్య ఎలక్ట్రాన్ ఏకాగ్రత కారణంగా GaN యొక్క P-డోపింగ్ మరింత సవాలుగా ఉంది, మెటీరియల్‌ని p-టైప్‌గా మార్చడానికి అధిక స్థాయి మెగ్నీషియం (Mg) p-టైప్ డోపాంట్ అవసరం. అయినప్పటికీ, అధిక మోతాదుల వలన అధిక స్థాయి లోపాలు ఏర్పడతాయి, ఇది క్యారియర్ క్యాప్చర్ మరియు లోతైన శక్తి స్థాయిలలో పరిహారానికి దారి తీస్తుంది, ఫలితంగా డోపాంట్ యాక్టివేషన్ తక్కువగా ఉంటుంది.

వాతావరణ పీడనం కింద 840°C కంటే ఎక్కువ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద GaN కుళ్ళిపోతుంది, ఇది N నష్టానికి మరియు ఉపరితలంపై Ga బిందువులు ఏర్పడటానికి దారితీస్తుంది. వివిధ రకాల ర్యాపిడ్ థర్మల్ ఎనియలింగ్ (RTA) మరియు SiO2 వంటి రక్షణ పొరలు ఉపయోగించబడ్డాయి. SiC కోసం ఉపయోగించిన వాటితో పోలిస్తే ఎనియలింగ్ ఉష్ణోగ్రతలు సాధారణంగా తక్కువగా ఉంటాయి (<1500°C). అధిక-పీడనం, బహుళ-చక్ర RTA, మైక్రోవేవ్ మరియు లేజర్ ఎనియలింగ్ వంటి అనేక పద్ధతులు ప్రయత్నించబడ్డాయి. అయినప్పటికీ, p+ ఇంప్లాంటేషన్ పరిచయాలను సాధించడం ఒక సవాలుగా మిగిలిపోయింది.

03

నిలువుగా ఉండే Si మరియు SiC పవర్ పరికరాలలో, అయాన్ ఇంప్లాంటేషన్ ద్వారా p-రకం డోపింగ్ రింగ్‌ను సృష్టించడం అనేది అంచు ముగింపు కోసం ఒక సాధారణ విధానం.సెలెక్టివ్ డోపింగ్‌ని సాధించగలిగితే, అది నిలువుగా ఉండే GaN పరికరాల ఏర్పాటును కూడా సులభతరం చేస్తుంది. మెగ్నీషియం (Mg) డోపాంట్ అయాన్ ఇంప్లాంటేషన్ అనేక సవాళ్లను ఎదుర్కొంటుంది మరియు వాటిలో కొన్ని క్రింద ఇవ్వబడ్డాయి.

1. అధిక అయనీకరణ సంభావ్యత (టేబుల్ 1లో చూపిన విధంగా).

2. ఇంప్లాంటేషన్ ప్రక్రియలో ఉత్పన్నమయ్యే లోపాలు శాశ్వత క్లస్టర్‌ల ఏర్పాటుకు దారితీయవచ్చు, దీనివల్ల క్రియారహితం అవుతుంది.

3. యాక్టివేషన్ కోసం అధిక ఉష్ణోగ్రతలు (>1300°C) అవసరం. ఇది GaN యొక్క కుళ్ళిపోయే ఉష్ణోగ్రతను మించిపోయింది, ప్రత్యేక పద్ధతులు అవసరం. 1 GPa వద్ద N2 పీడనంతో అల్ట్రా-హై ప్రెజర్ ఎనియలింగ్ (UHPA)ని ఉపయోగించడం ఒక విజయవంతమైన ఉదాహరణ. 1300-1480°C వద్ద ఎనియలింగ్ 70% పైగా క్రియాశీలతను సాధిస్తుంది మరియు మంచి ఉపరితల వాహక చలనశీలతను ప్రదర్శిస్తుంది.

4. ఈ అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద, మెగ్నీషియం వ్యాప్తి దెబ్బతిన్న ప్రాంతాలలో పాయింట్ లోపాలతో సంకర్షణ చెందుతుంది, దీని ఫలితంగా గ్రేడెడ్ జంక్షన్‌లు ఏర్పడతాయి. MOCVD లేదా MBE గ్రోత్ ప్రాసెస్‌లను ఉపయోగిస్తున్నప్పుడు కూడా, p-GaN ఇ-మోడ్ HEMTలలో Mg పంపిణీని నియంత్రించడం ఒక కీలక సవాలు.

మూర్తి 1: Mg/N కో-ఇంప్లాంటేషన్ ద్వారా పెరిగిన pn జంక్షన్ బ్రేక్‌డౌన్ వోల్టేజ్

Mgతో నైట్రోజన్ (N) యొక్క సహ-ఇంప్లాంటేషన్ Mg డోపాంట్ల క్రియాశీలతను మెరుగుపరుస్తుంది మరియు వ్యాప్తిని అణిచివేస్తుంది.మెరుగైన యాక్టివేషన్ N ఇంప్లాంటేషన్ ద్వారా ఖాళీల సముదాయాన్ని నిరోధించడానికి కారణమని చెప్పబడింది, ఇది 1200°C కంటే ఎక్కువ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద ఈ ఖాళీల పునఃకలయికను సులభతరం చేస్తుంది. అదనంగా, N ఇంప్లాంటేషన్ ద్వారా ఉత్పన్నమయ్యే ఖాళీలు Mg యొక్క వ్యాప్తిని పరిమితం చేస్తాయి, ఫలితంగా కోణీయ జంక్షన్‌లు ఏర్పడతాయి. ఈ భావన పూర్తి అయాన్ ఇంప్లాంటేషన్ ప్రక్రియ ద్వారా నిలువు ప్లానర్ GaN MOSFETలను తయారు చేయడానికి ఉపయోగించబడింది. 1200V పరికరం యొక్క నిర్దిష్ట ఆన్-రెసిస్టెన్స్ (RDSon) ఆకట్టుకునే 0.14 Ohms-mm2కి చేరుకుంది. ఈ ప్రక్రియను పెద్ద-స్థాయి తయారీకి ఉపయోగించగలిగితే, అది ఖర్చుతో కూడుకున్నది మరియు Si మరియు SiC ప్లానర్ వర్టికల్ పవర్ MOSFET ఫాబ్రికేషన్‌లో ఉపయోగించే సాధారణ ప్రక్రియ ప్రవాహాన్ని అనుసరించవచ్చు. మూర్తి 1లో చూపినట్లుగా, కో-ఇంప్లాంటేషన్ పద్ధతుల ఉపయోగం pn జంక్షన్ బ్రేక్‌డౌన్‌ను వేగవంతం చేస్తుంది.

04

పైన పేర్కొన్న సమస్యల కారణంగా, p-GaN డోపింగ్ సాధారణంగా p-GaN e-మోడ్ హై ఎలక్ట్రాన్ మొబిలిటీ ట్రాన్సిస్టర్‌లలో (HEMTలు) అమర్చకుండా పెంచబడుతుంది. HEMTలలో అయాన్ ఇంప్లాంటేషన్ యొక్క ఒక అప్లికేషన్ పార్శ్వ పరికర ఐసోలేషన్. హైడ్రోజన్ (H), N, ఇనుము (Fe), ఆర్గాన్ (Ar) మరియు ఆక్సిజన్ (O) వంటి వివిధ ఇంప్లాంట్ జాతులు ప్రయత్నించబడ్డాయి. యంత్రాంగం ప్రధానంగా నష్టంతో సంబంధం ఉన్న ఉచ్చు ఏర్పడటానికి సంబంధించినది. మీసా ఎట్చ్ ఐసోలేషన్ ప్రక్రియలతో పోలిస్తే ఈ పద్ధతి యొక్క ప్రయోజనం పరికరం ఫ్లాట్‌నెస్. మూర్తి 2-1 సాధించిన ఐసోలేషన్ లేయర్ రెసిస్టెన్స్ మరియు ఇంప్లాంటేషన్ తర్వాత ఎనియలింగ్ ఉష్ణోగ్రత మధ్య సంబంధాన్ని వివరిస్తుంది. చిత్రంలో చూపిన విధంగా, 107 Ohms/sq కంటే ఎక్కువ ప్రతిఘటనలను సాధించవచ్చు.

మూర్తి 2: వివిధ GaN ఐసోలేషన్ ఇంప్లాంటేషన్ల తర్వాత ఐసోలేషన్ లేయర్ రెసిస్టెన్స్ మరియు ఎనియలింగ్ ఉష్ణోగ్రత మధ్య సంబంధం

సిలికాన్ (Si) ఇంప్లాంటేషన్‌ని ఉపయోగించి GaN లేయర్‌లలో n+ Ohmic పరిచయాలను సృష్టించడంపై అనేక అధ్యయనాలు నిర్వహించబడినప్పటికీ, అధిక అశుద్ధ సాంద్రతలు మరియు ఫలితంగా లాటిస్ దెబ్బతినడం వల్ల ఆచరణాత్మక అమలు సవాలుగా ఉంటుంది.Si ఇంప్లాంటేషన్‌ని ఉపయోగించడం కోసం ఒక ప్రేరణ ఏమిటంటే Si CMOS అనుకూల ప్రక్రియలు లేదా బంగారం (Au) ఉపయోగించకుండా తదుపరి పోస్ట్-మెటల్ మిశ్రమం ప్రక్రియల ద్వారా తక్కువ-నిరోధక పరిచయాలను సాధించడం.

05

HEMTలలో, F యొక్క బలమైన ఎలక్ట్రోనెగటివిటీని పెంచడం ద్వారా పరికరాల బ్రేక్‌డౌన్ వోల్టేజ్ (BV)ని పెంచడానికి తక్కువ-మోతాదు ఫ్లోరిన్ (F) ఇంప్లాంటేషన్ ఉపయోగించబడింది. 2-DEG ఎలక్ట్రాన్ వాయువు వెనుక భాగంలో ప్రతికూలంగా చార్జ్ చేయబడిన ప్రాంతం ఏర్పడటం వలన అధిక-క్షేత్ర ప్రాంతాలలో ఎలక్ట్రాన్‌ల ఇంజెక్షన్‌ను అణిచివేస్తుంది.

మూర్తి 3: (ఎ) ఫార్వర్డ్ లక్షణాలు మరియు (బి) ఎఫ్ ఇంప్లాంటేషన్ తర్వాత మెరుగుదల చూపుతున్న నిలువు GaN SBD రివర్స్ IV

GaNలో అయాన్ ఇంప్లాంటేషన్ యొక్క మరొక ఆసక్తికరమైన అప్లికేషన్ నిలువు షాట్కీ బారియర్ డయోడ్‌లలో (SBDs) F ఇంప్లాంటేషన్‌ను ఉపయోగించడం. ఇక్కడ, అధిక-నిరోధక అంచు ముగింపు ప్రాంతాన్ని సృష్టించడానికి ఎగువ యానోడ్ కాంటాక్ట్ పక్కన ఉన్న ఉపరితలంపై F ఇంప్లాంటేషన్ నిర్వహిస్తారు. మూర్తి 3లో చూపినట్లుగా, రివర్స్ కరెంట్ ఐదు ఆర్డర్‌ల పరిమాణంతో తగ్గించబడుతుంది, అయితే BV పెరుగుతుంది.**