تحديات تقنية زرع الأيونات في أجهزة الطاقة SiC و GaN

أشباه الموصلات واسعة النطاق (WBG) مثلكربيد السيليكون(سيك) ونيتريد الغاليوممن المتوقع أن يلعب (GaN) دورًا متزايد الأهمية في أجهزة الطاقة الإلكترونية. إنها توفر العديد من المزايا مقارنة بأجهزة السيليكون التقليدية (Si)، بما في ذلك الكفاءة الأعلى وكثافة الطاقة وتردد التبديل.زرع الأيوناتهي الطريقة الأساسية لتحقيق المنشطات الانتقائية في أجهزة Si. ومع ذلك، هناك بعض التحديات عند تطبيقه على أجهزة ذات فجوة نطاق واسعة. في هذه المقالة، سنركز على بعض هذه التحديات ونلخص تطبيقاتها المحتملة في أجهزة طاقة GaN.

01

هناك عدة عوامل تحدد الاستخدام العملي لـالمواد المنشطاتفي تصنيع أجهزة أشباه الموصلات:

طاقة تأين منخفضة في مواقع الشبكة المشغولة. يحتوي Si على عناصر مانحة ضحلة قابلة للتأين (للتنشيط من النوع n) وعناصر متقبلة (للتنشيط من النوع p). تؤدي مستويات الطاقة الأعمق داخل فجوة النطاق إلى ضعف التأين، خاصة في درجة حرارة الغرفة، مما يؤدي إلى انخفاض الموصلية لجرعة معينة. المواد المصدرية قابلة للتأين وقابلة للحقن في غرسات الأيونات التجارية. يمكن استخدام مركبات المواد الصلبة والغازية المصدرية، ويعتمد استخدامها العملي على ثبات درجة الحرارة، والسلامة، وكفاءة توليد الأيونات، والقدرة على إنتاج أيونات فريدة للفصل الكتلي، وتحقيق عمق زرع الطاقة المطلوب.

المواد المصدرية القابلة للتأين والحقن في مزارع الأيونات التجارية. يمكن استخدام مركبات المواد الصلبة والغازية المصدرية، ويعتمد استخدامها العملي على ثبات درجة الحرارة، والسلامة، وكفاءة توليد الأيونات، والقدرة على إنتاج أيونات فريدة للفصل الكتلي، وتحقيق عمق زرع الطاقة المطلوب.

الجدول 1: الأنواع الشائعة المستخدمة في أجهزة الطاقة SiC وGN

معدلات الانتشار داخل المادة المزروعة. يمكن أن تؤدي معدلات الانتشار العالية في ظل ظروف التلدين العادية بعد الزرع إلى وصلات غير خاضعة للرقابة وانتشار المادة المنشطة في مناطق غير مرغوب فيها من الجهاز، مما يؤدي إلى تدهور أداء الجهاز.

التنشيط واستعادة الأضرار. يتضمن تنشيط الدوبانت توليد الشواغر عند درجات حرارة عالية، مما يسمح للأيونات المزروعة بالانتقال من المواضع الخلالية إلى مواضع الشبكة البديلة. يعد استرداد الضرر أمرًا بالغ الأهمية لإصلاح عيوب التشوه والبلورة التي نشأت أثناء عملية الزرع.

يسرد الجدول 1 بعض الأنواع المستخدمة بشكل شائع وطاقات التأين الخاصة بها في تصنيع أجهزة SiC و GaN.

في حين أن تعاطي المنشطات من النوع n في كل من SiC و GaN يكون واضحًا نسبيًا مع المنشطات الضحلة، فإن التحدي الرئيسي في إنشاء المنشطات من النوع p من خلال زرع الأيونات هو طاقة التأين العالية للعناصر المتاحة.

02

بعض عمليات زرع المفاتيح وخصائص الصلبمن GaN تشمل:

على عكس SiC، لا توجد ميزة كبيرة في استخدام الزرع الساخن مقارنة بدرجة حرارة الغرفة.

بالنسبة لـ GaN، يمكن أن يكون Si dopant Si شائع الاستخدام ثنائي القطب، ويظهر سلوك النوع n و/أو النوع p اعتمادًا على موقع احتلاله. قد يعتمد هذا على ظروف نمو GaN ويؤدي إلى تأثيرات تعويض جزئية.

يعد تعاطي المنشطات P لـ GaN أكثر صعوبة نظرًا لتركيز الإلكترون العالي في الخلفية في GaN غير المنشط، تتطلب مستويات عالية من المغنسيوم (Mg) من النوع p لتحويل المادة إلى النوع p. ومع ذلك، تؤدي الجرعات العالية إلى مستويات عالية من العيوب، مما يؤدي إلى التقاط الناقل وتعويضه عند مستويات طاقة أعمق، مما يؤدي إلى ضعف تنشيط المنشطات.

يتحلل GaN عند درجات حرارة أعلى من 840 درجة مئوية تحت الضغط الجوي، مما يؤدي إلى فقدان N وتكوين قطرات Ga على السطح. تم استخدام أشكال مختلفة من التلدين الحراري السريع (RTA) والطبقات الواقية مثل SiO2. عادة ما تكون درجات حرارة التلدين أقل (<1500 درجة مئوية) مقارنة بتلك المستخدمة في SiC. تمت تجربة عدة طرق مثل الضغط العالي، وRTA متعدد الدورات، والموجات الدقيقة، والتليين بالليزر. ومع ذلك، فإن تحقيق اتصالات زرع p+ يظل تحديًا.

03

في أجهزة الطاقة العمودية Si وSiC، يتمثل النهج الشائع لإنهاء الحافة في إنشاء حلقة منشطات من النوع p من خلال زرع الأيونات.إذا أمكن تحقيق المنشطات الانتقائية، فسيسهل ذلك أيضًا تكوين أجهزة GaN العمودية. يواجه زرع أيونات المغنيسيوم (Mg) العديد من التحديات، وبعضها مذكور أدناه.

1. إمكانية التأين العالية (كما هو موضح في الجدول 1).

2. العيوب التي تنشأ أثناء عملية الزرع قد تؤدي إلى تكوين تكتلات دائمة مما يؤدي إلى تعطيلها.

3. يلزم درجات حرارة عالية (> 1300 درجة مئوية) للتنشيط. وهذا يتجاوز درجة حرارة تحلل GaN، مما يستلزم طرقًا خاصة. أحد الأمثلة الناجحة هو استخدام التلدين عالي الضغط (UHPA) مع ضغط N2 عند 1 GPa. يحقق التلدين عند 1300-1480 درجة مئوية تنشيطًا بنسبة تزيد عن 70% ويُظهر حركة جيدة للحامل السطحي.

4. في درجات الحرارة المرتفعة هذه، يتفاعل انتشار المغنيسيوم مع عيوب النقطة في المناطق المتضررة، مما قد يؤدي إلى تقاطعات متدرجة. يعد التحكم في توزيع المغنيسيوم في HEMTs ذات الوضع الإلكتروني p-GaN تحديًا رئيسيًا، حتى عند استخدام عمليات نمو MOCVD أو MBE.

الشكل 1: زيادة جهد انهيار الوصلة pn من خلال الزرع المشترك للمغنيسيوم/N

لقد ثبت أن الزرع المشترك للنيتروجين (N) مع المغنيسيوم يعمل على تحسين تنشيط منشطات المغنيسيوم وقمع الانتشار.يُعزى التنشيط المُحسّن إلى تثبيط تكتل الشواغر عن طريق زرع N، مما يسهل إعادة تركيب هذه الشواغر عند درجات حرارة التلدين أعلى من 1200 درجة مئوية. بالإضافة إلى ذلك، فإن الشواغر الناتجة عن زرع N تحد من انتشار المغنيسيوم، مما يؤدي إلى تقاطعات أكثر انحدارًا. تم استخدام هذا المفهوم لتصنيع وحدات GaN MOSFET ذات المستوى الرأسي من خلال عملية زرع أيون كاملة. وصلت المقاومة المحددة (RDSon) لجهاز 1200 فولت إلى 0.14 أوم-مم2. إذا كان من الممكن استخدام هذه العملية في التصنيع على نطاق واسع، فقد تكون فعالة من حيث التكلفة وتتبع تدفق العملية المشترك المستخدم في تصنيع الطاقة العمودية المستوية Si وSiC. كما هو مبين في الشكل 1، يؤدي استخدام طرق الزرع المشترك إلى تسريع انهيار الوصلة pn.

04

نظرًا للمشكلات المذكورة أعلاه، عادةً ما تتم زراعة المنشطات p-GaN بدلاً من زرعها في ترانزستورات الحركة الإلكترونية عالية الحركة (HEMTs) ذات الوضع الإلكتروني p-GaN. أحد تطبيقات زرع الأيونات في HEMTs هو عزل الجهاز الجانبي. تمت تجربة أنواع زرع مختلفة، مثل الهيدروجين (H)، N، الحديد (Fe)، الأرجون (Ar)، والأكسجين (O). ترتبط الآلية بشكل أساسي بتكوين الفخ المرتبط بالضرر. ميزة هذه الطريقة مقارنة بعمليات عزل ميسا هي تسطيح الجهاز. يصف الشكل 2-1 العلاقة بين مقاومة طبقة العزل المحققة ودرجة حرارة التلدين بعد الزرع. كما هو موضح في الشكل، يمكن تحقيق مقاومة تزيد عن 107 أوم/متر مربع.

الشكل 2: العلاقة بين مقاومة طبقة العزل ودرجة حرارة التلدين بعد عمليات زرع عزل GaN المختلفة

على الرغم من إجراء العديد من الدراسات حول إنشاء اتصالات n+ Ohmic في طبقات GaN باستخدام زرع السيليكون (Si)، إلا أن التنفيذ العملي يمكن أن يكون صعبًا بسبب تركيزات الشوائب العالية وما ينتج عن ذلك من تلف الشبكة.أحد الدوافع لاستخدام عملية زرع Si هو تحقيق اتصالات منخفضة المقاومة من خلال العمليات المتوافقة مع Si CMOS أو عمليات سبائك ما بعد المعدن اللاحقة دون استخدام الذهب (Au).

05

في HEMTs، تم استخدام جرعة منخفضة من الفلور (F) لزيادة جهد الانهيار (BV) للأجهزة من خلال الاستفادة من السالبية الكهربية القوية لـ F. يؤدي تكوين منطقة سالبة الشحنة على الجانب الخلفي من غاز الإلكترون 2-DEG إلى منع حقن الإلكترونات في المناطق ذات المجال العالي.

الشكل 3: (أ) الخصائص الأمامية و (ب) العكسي IV لـ GaN SBD الرأسي يظهر التحسن بعد زرع F

تطبيق آخر مثير للاهتمام لزرع الأيونات في GaN هو استخدام زرع F في ثنائيات حاجز شوتكي العمودية (SBDs). هنا، يتم إجراء عملية زرع F على السطح بجوار جهة اتصال الأنود العلوي لإنشاء منطقة إنهاء حافة عالية المقاومة. كما هو مبين في الشكل 3، يتم تقليل التيار العكسي بمقدار خمسة أوامر من حيث الحجم، في حين يتم زيادة BV.**