Tantangan Teknologi Implantasi Ion pada Perangkat Listrik SiC dan GaN

Semikonduktor celah pita lebar (WBG) sepertiSilikon Karbida(SiC) danGalium Nitrida(GaN) diharapkan memainkan peran yang semakin penting dalam perangkat elektronika daya. Mereka menawarkan beberapa keunggulan dibandingkan perangkat Silikon (Si) tradisional, termasuk efisiensi yang lebih tinggi, kepadatan daya, dan frekuensi peralihan.Implantasi ionadalah metode utama untuk mencapai doping selektif pada perangkat Si. Namun, ada beberapa tantangan ketika menerapkannya pada perangkat dengan bandgap lebar. Dalam artikel ini, kami akan fokus pada beberapa tantangan tersebut dan merangkum potensi penerapannya pada perangkat listrik GaN.

01

Beberapa faktor menentukan penggunaan praktisbahan dopandalam pembuatan perangkat semikonduktor:

Energi ionisasi rendah di situs kisi yang ditempati. Si memiliki elemen donor dangkal yang dapat terionisasi (untuk doping tipe-n) dan akseptor (untuk doping tipe-p). Tingkat energi yang lebih dalam dalam celah pita mengakibatkan ionisasi yang buruk, terutama pada suhu kamar, sehingga menyebabkan konduktivitas yang lebih rendah untuk dosis tertentu. Bahan sumber dapat diionisasi dan disuntikkan pada implanter ion komersial. Senyawa bahan sumber padat dan gas dapat digunakan, dan penggunaan praktisnya bergantung pada stabilitas suhu, keamanan, efisiensi pembangkitan ion, kemampuan menghasilkan ion unik untuk pemisahan massa, dan mencapai kedalaman implantasi energi yang diinginkan.

Bahan sumber dapat terionisasi dan disuntikkan dalam implanter ion komersial. Senyawa bahan sumber padat dan gas dapat digunakan, dan penggunaan praktisnya bergantung pada stabilitas suhu, keamanan, efisiensi pembangkitan ion, kemampuan menghasilkan ion unik untuk pemisahan massa, dan mencapai kedalaman implantasi energi yang diinginkan.

Tabel 1: Spesies dopan yang umum digunakan pada perangkat daya SiC dan GaN

Tingkat difusi dalam bahan yang ditanamkan. Tingkat difusi yang tinggi dalam kondisi anil pasca-implan yang normal dapat menyebabkan sambungan yang tidak terkendali dan difusi dopan ke area perangkat yang tidak diinginkan, yang mengakibatkan penurunan kinerja perangkat.

Aktivasi dan pemulihan kerusakan. Aktivasi dopan melibatkan pembangkitan kekosongan pada suhu tinggi, memungkinkan ion yang ditanam berpindah dari posisi interstisial ke posisi kisi substitusi. Pemulihan kerusakan sangat penting untuk memperbaiki amorfisasi dan cacat kristal yang terjadi selama proses implantasi.

Tabel 1 mencantumkan beberapa spesies dopan yang umum digunakan dan energi ionisasinya dalam pembuatan perangkat SiC dan GaN.

Meskipun doping tipe-n pada SiC dan GaN relatif mudah dilakukan dengan dopan dangkal, tantangan utama dalam menciptakan doping tipe-p melalui implantasi ion adalah energi ionisasi yang tinggi dari elemen yang tersedia.

02

Beberapa implantasi kunci dankarakteristik anilGaN meliputi:

Berbeda dengan SiC, tidak ada keuntungan signifikan dalam penggunaan implantasi panas dibandingkan dengan suhu ruangan.

Untuk GaN, dopan Si tipe-n yang umum digunakan dapat bersifat ambipolar, menunjukkan perilaku tipe-n dan/atau tipe-p bergantung pada lokasi pekerjaannya. Hal ini mungkin bergantung pada kondisi pertumbuhan GaN dan menyebabkan efek kompensasi parsial.

P-doping pada GaN lebih menantang karena tingginya konsentrasi elektron latar belakang pada GaN yang tidak didoping, membutuhkan dopan tipe-P Magnesium (Mg) tingkat tinggi untuk mengubah material menjadi tipe-p. Namun, dosis tinggi menghasilkan tingkat cacat yang tinggi, menyebabkan penangkapan pembawa dan kompensasi pada tingkat energi yang lebih dalam, sehingga mengakibatkan aktivasi dopan yang buruk.

GaN terurai pada suhu lebih tinggi dari 840°C di bawah tekanan atmosfer, menyebabkan hilangnya N dan pembentukan tetesan Ga di permukaan. Berbagai bentuk anil termal cepat (RTA) dan lapisan pelindung seperti SiO2 telah digunakan. Suhu anil biasanya lebih rendah (<1500°C) dibandingkan dengan suhu yang digunakan untuk SiC. Beberapa metode seperti RTA bertekanan tinggi, multi-siklus, gelombang mikro, dan anil laser telah dicoba. Namun demikian, mencapai kontak implantasi p+ masih merupakan sebuah tantangan.

03

Pada perangkat daya Si dan SiC vertikal, pendekatan umum untuk terminasi tepi adalah dengan membuat cincin doping tipe-p melalui implantasi ion.Jika doping selektif dapat dicapai, hal ini juga akan memfasilitasi pembentukan perangkat GaN vertikal. Implantasi ion dopan Magnesium (Mg) menghadapi beberapa tantangan, dan beberapa di antaranya tercantum di bawah ini.

1. Potensi ionisasi tinggi (seperti ditunjukkan pada Tabel 1).

2. Cacat yang dihasilkan selama proses implantasi dapat menyebabkan pembentukan cluster permanen sehingga menyebabkan penonaktifan.

3. Suhu tinggi (>1300°C) diperlukan untuk aktivasi. Ini melebihi suhu dekomposisi GaN sehingga memerlukan metode khusus. Salah satu contoh suksesnya adalah penggunaan ultra-high pressure annealing (UHPA) dengan tekanan N2 sebesar 1 GPa. Annealing pada suhu 1300-1480°C mencapai lebih dari 70% aktivasi dan menunjukkan mobilitas pembawa permukaan yang baik.

4. Pada suhu tinggi ini, difusi magnesium berinteraksi dengan cacat titik di daerah yang rusak, yang dapat menghasilkan sambungan bertingkat. Pengendalian distribusi Mg dalam HEMT e-mode p-GaN merupakan tantangan utama, bahkan ketika menggunakan proses pertumbuhan MOCVD atau MBE.

Gambar 1: Peningkatan tegangan rusaknya sambungan pn melalui implantasi bersama Mg/N

Implantasi nitrogen (N) dengan Mg telah terbukti meningkatkan aktivasi dopan Mg dan menekan difusi.Peningkatan aktivasi ini disebabkan oleh penghambatan aglomerasi kekosongan dengan implantasi N, yang memfasilitasi rekombinasi kekosongan ini pada suhu anil di atas 1200°C. Selain itu, kekosongan yang dihasilkan oleh implantasi N membatasi difusi Mg, sehingga menghasilkan sambungan yang lebih curam. Konsep ini telah digunakan untuk memproduksi MOSFET GaN planar vertikal melalui proses implantasi ion penuh. Resistansi spesifik (RDSon) perangkat 1200V mencapai 0,14 Ohm-mm2 yang mengesankan. Jika proses ini dapat digunakan untuk manufaktur skala besar, maka akan hemat biaya dan mengikuti aliran proses umum yang digunakan dalam fabrikasi MOSFET daya vertikal planar Si dan SiC. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, penggunaan metode co-implantasi mempercepat kerusakan sambungan pn.

04

Karena masalah yang disebutkan di atas, doping p-GaN biasanya dikembangkan daripada ditanamkan dalam transistor mobilitas elektron tinggi (HEMT) e-mode p-GaN. Salah satu penerapan implantasi ion pada HEMT adalah isolasi perangkat lateral. Berbagai spesies implan, seperti hidrogen (H), N, besi (Fe), argon (Ar), dan oksigen (O), telah dicoba. Mekanismenya terutama terkait dengan pembentukan jebakan yang terkait dengan kerusakan. Keuntungan metode ini dibandingkan proses isolasi mesa etsa adalah kerataan perangkat. Gambar 2-1 menjelaskan hubungan antara ketahanan lapisan isolasi yang dicapai dan suhu anil setelah implantasi. Seperti yang ditunjukkan pada gambar, resistansi lebih dari 107 Ohm/sq dapat dicapai.

Gambar 2: Hubungan antara resistansi lapisan isolasi dan suhu anil setelah berbagai implantasi isolasi GaN

Meskipun beberapa penelitian telah dilakukan untuk membuat kontak n+ Ohmik pada lapisan GaN menggunakan implantasi silikon (Si), penerapan praktisnya dapat menjadi tantangan karena konsentrasi pengotor yang tinggi dan mengakibatkan kerusakan kisi.Salah satu motivasi untuk menggunakan implantasi Si adalah untuk mencapai kontak resistansi rendah melalui proses yang kompatibel dengan Si CMOS atau proses paduan pasca-logam berikutnya tanpa menggunakan emas (Au).

05

Dalam HEMT, implantasi fluor (F) dosis rendah telah digunakan untuk meningkatkan tegangan tembus (BV) perangkat dengan memanfaatkan keelektronegatifan F yang kuat. Pembentukan daerah bermuatan negatif di bagian belakang gas elektron 2 DEG menekan injeksi elektron ke daerah medan tinggi.

Gambar 3: (a) Karakteristik maju dan (b) IV terbalik dari GaN SBD vertikal menunjukkan peningkatan setelah implantasi F

Aplikasi lain yang menarik dari implantasi ion di GaN adalah penggunaan implantasi F pada Dioda Penghalang Schottky (SBD) vertikal. Di sini, implantasi F dilakukan pada permukaan di sebelah kontak anoda atas untuk menciptakan daerah terminasi tepi dengan resistansi tinggi. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, arus balik berkurang lima kali lipat, sementara BV meningkat.**