ສິ່ງທ້າທາຍຂອງ Ion Implantation Technology ໃນອຸປະກອນໄຟຟ້າ SiC ແລະ GaN

Wide bandgap (WBG) semiconductors ເຊັ່ນຊິລິໂຄນຄາໄບ(SiC) ແລະGallium Nitride(GaN) ຄາດວ່າຈະມີບົດບາດສໍາຄັນເພີ່ມຂຶ້ນໃນອຸປະກອນເອເລັກໂຕຣນິກພະລັງງານ. ພວກເຂົາສະເຫນີຂໍ້ໄດ້ປຽບຫຼາຍຢ່າງກ່ຽວກັບອຸປະກອນ Silicon (Si) ແບບດັ້ງເດີມ, ລວມທັງປະສິດທິພາບທີ່ສູງຂຶ້ນ, ຄວາມຫນາແຫນ້ນຂອງພະລັງງານ, ແລະຄວາມຖີ່ຂອງການສະຫຼັບ.ການປູກຝັງໄອອອນແມ່ນວິທີການຕົ້ນຕໍສໍາລັບການບັນລຸ doping ເລືອກໃນອຸປະກອນ Si. ຢ່າງໃດກໍ່ຕາມ, ມີສິ່ງທ້າທາຍບາງຢ່າງໃນເວລາທີ່ນໍາໃຊ້ມັນກັບອຸປະກອນ bandgap ກວ້າງ. ໃນບົດຄວາມນີ້, ພວກເຮົາຈະສຸມໃສ່ບາງສິ່ງທ້າທາຍເຫຼົ່ານີ້ແລະສະຫຼຸບຄໍາຮ້ອງສະຫມັກທີ່ມີທ່າແຮງຂອງພວກເຂົາໃນອຸປະກອນພະລັງງານ GaN.

01

ປັດໃຈຈໍານວນຫນຶ່ງກໍານົດການນໍາໃຊ້ພາກປະຕິບັດຂອງວັດສະດຸ dopantໃນ​ການ​ຜະ​ລິດ​ອຸ​ປະ​ກອນ semiconductor​:

ພະ​ລັງ​ງານ ionization ຕ​່​ໍ​າ​ໃນ​ສະ​ຖານ​ທີ່​ເສັ້ນ​ທີ່​ຄອບ​ຄອງ​. Si ມີຜູ້ໃຫ້ທຶນຕື້ນ ionizable (ສໍາລັບການ doping n-type) ແລະການຍອມຮັບ (ສໍາລັບ p-type doping) ອົງປະກອບ. ລະດັບພະລັງງານ deeper ພາຍໃນ bandgap ສົ່ງຜົນໃຫ້ ionization ບໍ່ດີ, ໂດຍສະເພາະໃນອຸນຫະພູມຫ້ອງ, ນໍາໄປສູ່ການ conductivity ຕ່ໍາສໍາລັບ dose.Source ວັດສະດຸ ionizable ແລະ injectable ໃນ implanters ການຄ້າ. ທາດປະສົມຂອງວັດສະດຸແຫຼ່ງອາຍແກັສແຂງແລະອາຍແກັສສາມາດນໍາໃຊ້ໄດ້, ແລະການນໍາໃຊ້ການປະຕິບັດແມ່ນຂຶ້ນກັບຄວາມຫມັ້ນຄົງຂອງອຸນຫະພູມ, ຄວາມປອດໄພ, ປະສິດທິພາບການຜະລິດ ion, ຄວາມສາມາດໃນການຜະລິດ ions ເປັນເອກະລັກສໍາລັບການແຍກມະຫາຊົນ, ແລະບັນລຸຄວາມເລິກ implantation ພະລັງງານທີ່ຕ້ອງການ.

ວັດສະດຸແຫຼ່ງ ionizable ແລະ injectable ໃນ implanters ການຄ້າ. ທາດປະສົມຂອງວັດສະດຸແຫຼ່ງອາຍແກັສແຂງແລະອາຍແກັສສາມາດນໍາໃຊ້ໄດ້, ແລະການນໍາໃຊ້ການປະຕິບັດແມ່ນຂຶ້ນກັບຄວາມຫມັ້ນຄົງຂອງອຸນຫະພູມ, ຄວາມປອດໄພ, ປະສິດທິພາບການຜະລິດ ion, ຄວາມສາມາດໃນການຜະລິດ ions ເປັນເອກະລັກສໍາລັບການແຍກມະຫາຊົນ, ແລະບັນລຸຄວາມເລິກ implantation ພະລັງງານທີ່ຕ້ອງການ.

ຕາຕະລາງ 1: ຊະນິດ dopant ທົ່ວໄປທີ່ໃຊ້ໃນອຸປະກອນພະລັງງານ SiC ແລະ GaN

ອັດຕາການແຜ່ກະຈາຍພາຍໃນວັດສະດຸປູກຝັງ. ອັດຕາການແຜ່ກະຈາຍສູງພາຍໃຕ້ເງື່ອນໄຂປົກກະຕິຂອງການຫມູນວຽນຫຼັງການປູກຝັງສາມາດນໍາໄປສູ່ຈຸດເຊື່ອມຕໍ່ທີ່ບໍ່ສາມາດຄວບຄຸມໄດ້ແລະການແຜ່ກະຈາຍຂອງ dopant ເຂົ້າໄປໃນພື້ນທີ່ທີ່ບໍ່ຕ້ອງການຂອງອຸປະກອນ, ສົ່ງຜົນໃຫ້ການປະຕິບັດອຸປະກອນທີ່ຊຸດໂຊມ.

ການເປີດໃຊ້ງານແລະການຟື້ນຕົວຄວາມເສຍຫາຍ. ການກະຕຸ້ນ dopant ກ່ຽວຂ້ອງກັບການສ້າງບ່ອນຫວ່າງຢູ່ໃນອຸນຫະພູມສູງ, ອະນຸຍາດໃຫ້ ions implanted ຍ້າຍຈາກຕໍາແຫນ່ງ interstitial ກັບຕໍາແຫນ່ງ lattice ທົດແທນ. ການຟື້ນຟູຄວາມເສຍຫາຍແມ່ນສໍາຄັນສໍາລັບການສ້ອມແປງ amorphization ແລະຂໍ້ບົກພ່ອງໄປເຊຍກັນທີ່ສ້າງຂຶ້ນໃນລະຫວ່າງຂະບວນການ implantation.

ຕາຕະລາງ 1 ລາຍຊື່ບາງຊະນິດທີ່ໃຊ້ກັນທົ່ວໄປ dopant ແລະພະລັງງານ ionization ຂອງເຂົາເຈົ້າໃນການຜະລິດອຸປະກອນ SiC ແລະ GaN.

ໃນຂະນະທີ່ຢາ doping n-type ໃນທັງ SiC ແລະ GaN ແມ່ນຂ້ອນຂ້າງກົງໄປກົງມາກັບ dopants ຕື້ນ, ສິ່ງທ້າທາຍທີ່ສໍາຄັນໃນການສ້າງ p-type doping ໂດຍຜ່ານ ion implantation ແມ່ນພະລັງງານ ionization ສູງຂອງອົງປະກອບທີ່ມີຢູ່.

02

ບາງ implantation ທີ່ສໍາຄັນແລະຄຸນ​ລັກ​ສະ​ນະ annealing​ຂອງ GaN ປະ​ກອບ​ມີ​:

ບໍ່ເຫມືອນກັບ SiC, ບໍ່ມີປະໂຫຍດທີ່ສໍາຄັນໃນການນໍາໃຊ້ implantation ຮ້ອນເມື່ອທຽບກັບອຸນຫະພູມຫ້ອງ.

ສໍາລັບ GaN, n-type dopant Si ທີ່ໃຊ້ທົ່ວໄປສາມາດເປັນ ambipolar, ສະແດງພຶດຕິກໍາ n-type ແລະ/ຫຼື p-type ຂຶ້ນກັບສະຖານທີ່ອາຊີບຂອງມັນ. ນີ້ອາດຈະຂຶ້ນກັບເງື່ອນໄຂການຂະຫຍາຍຕົວຂອງ GaN ແລະນໍາໄປສູ່ຜົນກະທົບການຊົດເຊີຍບາງສ່ວນ.

P-doping ຂອງ GaN ມີຄວາມທ້າທາຍຫຼາຍຂື້ນເນື່ອງຈາກຄວາມເຂັ້ມຂຸ້ນຂອງອິເລັກໂທຣນິກພື້ນຖານສູງໃນ GaN ທີ່ບໍ່ມີການປິດ., ຮຽກຮ້ອງໃຫ້ມີລະດັບສູງຂອງ Magnesium (Mg) p-type dopant ເພື່ອປ່ຽນວັດສະດຸເຂົ້າໄປໃນ p-type. ຢ່າງໃດກໍ່ຕາມ, ປະລິມານທີ່ສູງສົ່ງຜົນໃຫ້ມີຄວາມບົກຜ່ອງສູງ, ນໍາໄປສູ່ການຈັບຕົວຂອງຜູ້ໃຫ້ບໍລິການແລະການຊົດເຊີຍໃນລະດັບພະລັງງານທີ່ເລິກເຊິ່ງ, ເຮັດໃຫ້ການກະຕຸ້ນ dopant ບໍ່ດີ.

GaN decompose ຢູ່​ທີ່​ອຸນ​ຫະ​ພູມ​ສູງ​ກ​່​ວາ 840 ° C ພາຍ​ໃຕ້​ຄວາມ​ກົດ​ດັນ​ຂອງ​ບັນ​ຍາ​ກາດ​, ເຮັດ​ໃຫ້​ການ​ສູນ​ເສຍ N ແລະ​ການ​ເກີດ​ຂອງ​ droplets Ga ຢູ່​ດ້ານ​. ຮູບແບບຕ່າງໆຂອງການລະບາຍຄວາມຮ້ອນຢ່າງໄວວາ (RTA) ແລະຊັ້ນປ້ອງກັນເຊັ່ນ SiO2 ໄດ້ຖືກຈ້າງງານ. ໂດຍທົ່ວໄປແລ້ວອຸນຫະພູມການຫົດຕົວແມ່ນຕໍ່າກວ່າ (<1500°C) ເມື່ອປຽບທຽບກັບທີ່ໃຊ້ສຳລັບ SiC. ພະຍາຍາມຫຼາຍວິທີເຊັ່ນ: ຄວາມກົດດັນສູງ, RTA ຫຼາຍວົງຈອນ, ໄມໂຄເວຟ, ແລະ laser annealing. ຢ່າງໃດກໍ່ຕາມ, ການບັນລຸການຕິດຕໍ່ implantation p+ ຍັງຄົງເປັນສິ່ງທ້າທາຍ.

03

ໃນອຸປະກອນພະລັງງານ Si ແລະ SiC ແນວຕັ້ງ, ວິທີການທົ່ວໄປສໍາລັບການຢຸດຂອບແມ່ນການສ້າງວົງແຫວນ doping p-type ໂດຍຜ່ານ ion implantation.ຖ້າ​ຫາກ​ວ່າ​ການ​ເລືອກ doping ສາ​ມາດ​ບັນ​ລຸ​ໄດ້​, ມັນ​ຍັງ​ຈະ​ສ້າງ​ຄວາມ​ສະ​ດວກ​ການ​ສ້າງ​ຕັ້ງ​ຂອງ​ອຸ​ປະ​ກອນ GaN ຕັ້ງ​. Magnesium (Mg) dopant ion implantation ປະເຊີນກັບສິ່ງທ້າທາຍຫຼາຍຢ່າງ, ແລະບາງສ່ວນຂອງພວກມັນຖືກລະບຸໄວ້ຂ້າງລຸ່ມນີ້.

1. ທ່າແຮງ ionization ສູງ (ດັ່ງທີ່ສະແດງຢູ່ໃນຕາຕະລາງ 1).

2. ຂໍ້ບົກພ່ອງທີ່ສ້າງຂຶ້ນໃນລະຫວ່າງຂະບວນການປູກຝັງອາດຈະນໍາໄປສູ່ການສ້າງຕັ້ງຂອງກຸ່ມຖາວອນ, ເຊິ່ງກໍ່ໃຫ້ເກີດການປິດຕົວ.

3. ອຸນ​ຫະ​ພູມ​ສູງ (> 1300°C​) ແມ່ນ​ຕ້ອງ​ການ​ສໍາ​ລັບ​ການ​ກະ​ຕຸ້ນ​. ນີ້ເກີນອຸນຫະພູມ decomposition ຂອງ GaN, necessitating ວິທີການພິເສດ. ຕົວຢ່າງຫນຶ່ງທີ່ປະສົບຜົນສໍາເລັດແມ່ນການນໍາໃຊ້ການບີບອັດຄວາມກົດດັນສູງສຸດ (UHPA) ທີ່ມີຄວາມກົດດັນ N2 ຢູ່ 1 GPa. ການຫມູນວຽນທີ່ອຸນຫະພູມ 1300-1480 ອົງສາ ບັນລຸໄດ້ຫຼາຍກວ່າ 70% ການເປີດໃຊ້ງານ ແລະ ສະແດງໃຫ້ເຫັນການເຄື່ອນທີ່ຂອງການຂົນສົ່ງພື້ນຜິວທີ່ດີ.

4. ໃນອຸນຫະພູມສູງເຫຼົ່ານີ້, ການແຜ່ກະຈາຍ magnesium ໂຕ້ຕອບກັບຈຸດບົກພ່ອງໃນພາກພື້ນທີ່ເສຍຫາຍ, ຊຶ່ງສາມາດສົ່ງຜົນໃຫ້ junctions graded. ການຄວບຄຸມການແຈກຢາຍ Mg ໃນ p-GaN e-mode HEMTs ແມ່ນສິ່ງທ້າທາຍທີ່ສໍາຄັນ, ເຖິງແມ່ນວ່າຈະຈ້າງຂະບວນການເຕີບໂຕ MOCVD ຫຼື MBE.

ຮູບທີ 1: ເພີ່ມແຮງດັນການແຍກ pn junction ຜ່ານ Mg/N co-implantation

ການປູກຝັງຮ່ວມກັນຂອງໄນໂຕຣເຈນ (N) ກັບ Mg ໄດ້ຖືກສະແດງໃຫ້ເຫັນເພື່ອປັບປຸງການກະຕຸ້ນຂອງ Mg dopants ແລະສະກັດກັ້ນການແຜ່ກະຈາຍ.ການກະຕຸ້ນທີ່ປັບປຸງໃຫ້ດີຂຶ້ນແມ່ນເນື່ອງມາຈາກການຍັບຍັ້ງການລວມຕົວຂອງບ່ອນຫວ່າງໂດຍ N implantation, ເຊິ່ງອໍານວຍຄວາມສະດວກໃຫ້ແກ່ການລວມຕົວຂອງບ່ອນຫວ່າງເຫຼົ່ານີ້ຢູ່ທີ່ອຸນຫະພູມທີ່ສູງກວ່າ 1200 ° C. ນອກຈາກນັ້ນ, ສະຖານທີ່ຫວ່າງທີ່ສ້າງຂຶ້ນໂດຍ N implantation ຈໍາກັດການແຜ່ກະຈາຍຂອງ Mg, ສົ່ງຜົນໃຫ້ທາງເຊື່ອມຕໍ່ steeper. ແນວຄວາມຄິດນີ້ໄດ້ຖືກນໍາໃຊ້ເພື່ອຜະລິດແຜນແນວຕັ້ງ GaN MOSFETs ຜ່ານຂະບວນການປູກຝັງ ion ເຕັມຮູບແບບ. ຄວາມຕ້ານທານສະເພາະ (RDson) ຂອງອຸປະກອນ 1200V ບັນລຸໄດ້ປະທັບໃຈ 0.14 Ohms-mm2. ຖ້າຂະບວນການນີ້ສາມາດຖືກນໍາໃຊ້ສໍາລັບການຜະລິດຂະຫນາດໃຫຍ່, ມັນສາມາດປະຫຍັດຄ່າໃຊ້ຈ່າຍແລະປະຕິບັດຕາມຂະບວນການທົ່ວໄປທີ່ໃຊ້ໃນ Si ແລະ SiC planar vertical power fabrication MOSFET. ດັ່ງທີ່ສະແດງຢູ່ໃນຮູບທີ 1, ການນໍາໃຊ້ວິທີການປູກຝັງຮ່ວມກັນເລັ່ງການທໍາລາຍ pn junction.

04

ເນື່ອງຈາກບັນຫາທີ່ໄດ້ກ່າວມາຂ້າງເທິງ, p-GaN doping ໂດຍທົ່ວໄປແມ່ນການຂະຫຍາຍຕົວແທນທີ່ຈະປູກຢູ່ໃນ p-GaN e-mode ສູງ electron ເຄື່ອນທີ່ transistors (HEMTs). ຄໍາຮ້ອງສະຫມັກຫນຶ່ງຂອງ ion implantation ໃນ HEMTs ແມ່ນການແຍກອຸປະກອນຂ້າງ. ການປູກຝັງຊະນິດຕ່າງໆເຊັ່ນ: ໄຮໂດເຈນ (H), N, ທາດເຫຼັກ (Fe), argon (Ar), ແລະອົກຊີເຈນ (O), ໄດ້ຖືກພະຍາຍາມ. ກົນໄກສ່ວນໃຫຍ່ແມ່ນກ່ຽວຂ້ອງກັບການສ້າງຕັ້ງຂອງດັກທີ່ກ່ຽວຂ້ອງກັບຄວາມເສຍຫາຍ. ປະໂຫຍດຂອງວິທີການນີ້ເມື່ອທຽບກັບຂະບວນການແຍກ mesa etch ແມ່ນການແປຂອງອຸປະກອນ. ຮູບທີ 2-1 ອະທິບາຍເຖິງຄວາມສຳພັນລະຫວ່າງຄວາມຕ້ານທານຂອງຊັ້ນການໂດດດ່ຽວທີ່ບັນລຸໄດ້ ແລະ ອຸນຫະພູມການຫມູນວຽນຫຼັງຈາກການປູກຝັງ. ດັ່ງທີ່ສະແດງຢູ່ໃນຮູບ, ຄວາມຕ້ານທານຫຼາຍກວ່າ 107 Ohms / sq ສາມາດບັນລຸໄດ້.

ຮູບທີ 2: ຄວາມສຳພັນລະຫວ່າງຄວາມຕ້ານທານຂອງຊັ້ນທີ່ໂດດດ່ຽວ ແລະ ອຸນຫະພູມການເຊື່ອມໂລຫະຫຼັງຈາກການປູກຝັງການແຍກ GaN ຕ່າງໆ

ເຖິງແມ່ນວ່າການສຶກສາຈໍານວນຫນຶ່ງໄດ້ຖືກດໍາເນີນການກ່ຽວກັບການສ້າງການຕິດຕໍ່ n + Ohmic ໃນຊັ້ນ GaN ໂດຍໃຊ້ implantation ຊິລິໂຄນ (Si), ການປະຕິບັດຕົວຈິງສາມາດເປັນສິ່ງທ້າທາຍເນື່ອງຈາກຄວາມເຂັ້ມຂຸ້ນຂອງ impurity ສູງແລະຜົນເສຍຫາຍຂອງເສັ້ນດ່າງ.ແຮງຈູງໃຈອັນຫນຶ່ງສໍາລັບການນໍາໃຊ້ implantation Si ແມ່ນເພື່ອບັນລຸການຕິດຕໍ່ຕ້ານທານຕ່ໍາໂດຍຜ່ານຂະບວນການເຂົ້າກັນໄດ້ Si CMOS ຫຼືຂະບວນການໂລຫະປະສົມຫລັງຫລັງໂລຫະໂດຍບໍ່ມີການນໍາໃຊ້ຄໍາ (Au).

05

ໃນ HEMTs, ການປູກຝັງ fluorine (F) ປະລິມານຕ່ໍາໄດ້ຖືກນໍາໃຊ້ເພື່ອເພີ່ມແຮງດັນການທໍາລາຍ (BV) ຂອງອຸປະກອນໂດຍການໃຊ້ໄຟຟ້າທີ່ເຂັ້ມແຂງຂອງ F. ການສ້າງຕັ້ງຂອງພາກພື້ນທີ່ຖືກຄິດຄ່າທໍານຽມທາງລົບຢູ່ດ້ານຫລັງຂອງອາຍແກັສເອເລັກໂຕຣນິກ 2-DEG ສະກັດກັ້ນການສີດຂອງເອເລັກໂຕຣນິກເຂົ້າໄປໃນເຂດພື້ນທີ່ສູງ.

ຮູບທີ 3: (a) ລັກສະນະການສົ່ງຕໍ່ ແລະ (b) ປີ້ນກັບ IV ຂອງແນວຕັ້ງ GaN SBD ສະແດງໃຫ້ເຫັນການປັບປຸງຫຼັງຈາກ F implantation

ຄໍາຮ້ອງສະຫມັກທີ່ຫນ້າສົນໃຈອີກອັນຫນຶ່ງຂອງການປູກຝັງ ion ໃນ GaN ແມ່ນການນໍາໃຊ້ implantation F ໃນແນວຕັ້ງ Schottky Barrier Diodes (SBDs). ທີ່ນີ້, F implantation ແມ່ນປະຕິບັດຢູ່ໃນຫນ້າດິນຕໍ່ຫນ້າຕິດຕໍ່ anode ເທິງເພື່ອສ້າງພື້ນທີ່ການສິ້ນສຸດຂອງຂອບທີ່ມີຄວາມຕ້ານທານສູງ. ດັ່ງທີ່ສະແດງຢູ່ໃນຮູບທີ 3, ກະແສໄຟຟ້າຍ້ອນກັບແມ່ນຫຼຸດລົງໂດຍຫ້າຄໍາສັ່ງຂອງຂະຫນາດ, ໃນຂະນະທີ່ BV ເພີ່ມຂຶ້ນ.**