Défis de la technologie d'implantation ionique dans les dispositifs d'alimentation SiC et GaN

Semi-conducteurs à large bande interdite (WBG) tels queCarbure de silicium(SiC) etNitrure de Gallium(GaN) devraient jouer un rôle de plus en plus important dans les appareils électroniques de puissance. Ils offrent plusieurs avantages par rapport aux dispositifs traditionnels au silicium (Si), notamment un rendement, une densité de puissance et une fréquence de commutation plus élevés.Implantation ioniqueest la principale méthode permettant de réaliser un dopage sélectif dans les dispositifs en Si. Cependant, son application à des appareils à large bande interdite présente certains défis. Dans cet article, nous nous concentrerons sur certains de ces défis et résumerons leurs applications potentielles dans les dispositifs d'alimentation GaN.

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Plusieurs facteurs déterminent l'utilisation pratique dematériaux dopantsdans la fabrication de dispositifs à semi-conducteurs :

Faible énergie d'ionisation dans les sites occupés du réseau. Si possède des éléments donneurs peu profonds ionisables (pour le dopage de type n) et accepteurs (pour le dopage de type p). Les niveaux d'énergie plus profonds dans la bande interdite entraînent une mauvaise ionisation, en particulier à température ambiante, entraînant une conductivité plus faible pour une dose donnée. Matériaux sources ionisables et injectables dans les implanteurs d'ions commerciaux. Des composés de matériaux sources solides et gazeux peuvent être utilisés, et leur utilisation pratique dépend de la stabilité de la température, de la sécurité, de l'efficacité de la génération d'ions, de la capacité à produire des ions uniques pour la séparation de masse et de l'obtention de la profondeur d'implantation d'énergie souhaitée.

Matériaux sources ionisables et injectables dans les implanteurs d'ions commerciaux. Des composés de matériaux sources solides et gazeux peuvent être utilisés, et leur utilisation pratique dépend de la stabilité de la température, de la sécurité, de l'efficacité de la génération d'ions, de la capacité à produire des ions uniques pour la séparation de masse et de l'obtention de la profondeur d'implantation d'énergie souhaitée.

Tableau 1 : Espèces dopantes courantes utilisées dans les dispositifs d'alimentation SiC et GaN

Taux de diffusion au sein du matériau implanté. Des taux de diffusion élevés dans des conditions normales de recuit post-implantaire peuvent conduire à des jonctions incontrôlées et à une diffusion de dopant dans des zones indésirables du dispositif, entraînant une dégradation des performances du dispositif.

Activation et récupération des dommages. L'activation du dopant implique la génération de lacunes à haute température, permettant aux ions implantés de se déplacer des positions interstitielles vers des positions de réseau de substitution. La récupération des dommages est cruciale pour réparer l’amorphisation et les défauts cristallins créés lors du processus d’implantation.

Le tableau 1 répertorie certaines espèces dopantes couramment utilisées et leurs énergies d'ionisation dans la fabrication de dispositifs SiC et GaN.

Bien que le dopage de type n dans le SiC et le GaN soit relativement simple avec des dopants peu profonds, l'un des principaux défis liés à la création d'un dopage de type p par implantation ionique réside dans l'énergie d'ionisation élevée des éléments disponibles.

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Quelques implantations clés etcaractéristiques de recuitde GaN comprennent :

Contrairement au SiC, l’implantation à chaud ne présente aucun avantage significatif par rapport à la température ambiante.

Pour GaN, le dopant Si de type n couramment utilisé peut être ambipolaire, présentant un comportement de type n et/ou de type p en fonction de son site d'occupation. Cela peut dépendre des conditions de croissance du GaN et conduire à des effets de compensation partiels.

Le dopage P du GaN est plus difficile en raison de la concentration électronique de fond élevée dans le GaN non dopé, nécessitant des niveaux élevés de dopant de type p en magnésium (Mg) pour convertir le matériau en type p. Cependant, des doses élevées entraînent des niveaux élevés de défauts, conduisant à la capture et à la compensation des porteurs à des niveaux d'énergie plus profonds, ce qui entraîne une mauvaise activation des dopants.

Le GaN se décompose à des températures supérieures à 840°C sous pression atmosphérique, entraînant une perte de N et la formation de gouttelettes de Ga à la surface. Diverses formes de recuit thermique rapide (RTA) et de couches protectrices telles que SiO2 ont été utilisées. Les températures de recuit sont généralement inférieures (<1 500 °C) à celles utilisées pour le SiC. Plusieurs méthodes telles que le recuit RTA multi-cycles à haute pression, aux micro-ondes et au laser ont été tentées. Néanmoins, réaliser des contacts d’implantation p+ reste un défi.

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In vertical Si and SiC power devices, a common approach for edge termination is to create a p-type doping ring through ion implantation.Si un dopage sélectif pouvait être réalisé, cela faciliterait également la formation de dispositifs GaN verticaux. L’implantation d’ions dopants magnésium (Mg) est confrontée à plusieurs défis, dont certains sont répertoriés ci-dessous.

1. Potentiel d'ionisation élevé (comme indiqué dans le tableau 1).

2. Les défauts générés lors du processus d'implantation peuvent conduire à la formation d'amas permanents, provoquant une désactivation.

3. Des températures élevées (>1300°C) sont nécessaires pour l'activation. Cela dépasse la température de décomposition du GaN, ce qui nécessite des méthodes spéciales. Un exemple réussi est l’utilisation du recuit à ultra haute pression (UHPA) avec une pression de N2 de 1 GPa. Le recuit à 1 300-1 480°C permet d'obtenir une activation de plus de 70 % et présente une bonne mobilité des porteurs de surface.

4. À ces températures élevées, la diffusion du magnésium interagit avec des défauts ponctuels dans les régions endommagées, ce qui peut entraîner des jonctions graduées. Le contrôle de la distribution de Mg dans les HEMT p-GaN en mode e constitue un défi majeur, même lors de l'utilisation de processus de croissance MOCVD ou MBE.

Figure 1 : Augmentation de la tension de claquage de la jonction pn grâce à la co-implantation Mg/N

Il a été démontré que la co-implantation de l'azote (N) avec le Mg améliore l'activation des dopants du Mg et supprime la diffusion.L'activation améliorée est attribuée à l'inhibition de l'agglomération des lacunes par implantation de N, ce qui facilite la recombinaison de ces lacunes à des températures de recuit supérieures à 1 200 °C. De plus, les lacunes générées par l'implantation de N limitent la diffusion du Mg, ce qui entraîne des jonctions plus raides. Ce concept a été utilisé pour fabriquer des MOSFET GaN plans verticaux via un processus d'implantation ionique complet. La résistance spécifique à l'état passant (RDSon) de l'appareil 1 200 V a atteint un impressionnant 0,14 Ohms-mm2. Si ce processus peut être utilisé pour une fabrication à grande échelle, il pourrait être rentable et suivre le flux de processus commun utilisé dans la fabrication de MOSFET de puissance verticaux plans Si et SiC. Comme le montre la figure 1, l'utilisation de méthodes de co-implantation accélère la rupture de la jonction pn.

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En raison des problèmes susmentionnés, le dopage p-GaN est généralement développé plutôt qu’implanté dans des transistors p-GaN à haute mobilité électronique (HEMT) en mode e. Une application de l’implantation ionique dans les HEMT est l’isolation latérale du dispositif. Diverses espèces d'implants, telles que l'hydrogène (H), le N, le fer (Fe), l'argon (Ar) et l'oxygène (O), ont été tentées. Le mécanisme est principalement lié à la formation de pièges associés aux dommages. L’avantage de cette méthode par rapport aux processus d’isolation Mesa Etch est la planéité du dispositif. La figure 2-1 décrit la relation entre la résistance obtenue de la couche d'isolation et la température de recuit après implantation. Comme le montre la figure, des résistances supérieures à 107 Ohms/carré peuvent être obtenues.

Figure 2 : Relation entre la résistance de la couche d'isolation et la température de recuit après diverses implantations d'isolation GaN

Bien que plusieurs études aient été menées sur la création de contacts ohmiques n+ dans des couches de GaN à l'aide d'une implantation de silicium (Si), la mise en œuvre pratique peut s'avérer difficile en raison des concentrations élevées d'impuretés et des dommages au réseau qui en résultent.L’une des motivations pour utiliser l’implantation de Si est d’obtenir des contacts à faible résistance grâce à des processus compatibles Si CMOS ou à des processus ultérieurs d’alliage post-métallique sans utiliser d’or (Au).

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Dans les HEMT, l’implantation de fluor (F) à faible dose a été utilisée pour augmenter la tension de claquage (BV) des dispositifs en tirant parti de la forte électronégativité du F. La formation d’une région chargée négativement à l’arrière du gaz d’électrons 2-DEG supprime l’injection d’électrons dans les régions à champ élevé.

Figure 3 : (a) Caractéristiques directes et (b) IV inverse du GaN SBD vertical montrant une amélioration après l'implantation de F

Une autre application intéressante de l’implantation ionique dans GaN est l’utilisation de l’implantation F dans des diodes à barrière Schottky (SBD) verticales. Ici, l'implantation F est effectuée sur la surface à côté du contact anodique supérieur pour créer une région de terminaison de bord à haute résistance. Comme le montre la figure 3, le courant inverse est réduit de cinq ordres de grandeur, tandis que BV augmente.**