SiC और GaN पावर उपकरणों में आयन प्रत्यारोपण प्रौद्योगिकी की चुनौतियाँ

वाइड बैंडगैप (डब्ल्यूबीजी) अर्धचालक जैसेसिलिकन कार्बाइड(SiC) औरगैलियम नाइट्राइड(GaN) से बिजली इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में तेजी से महत्वपूर्ण भूमिका निभाने की उम्मीद है। वे पारंपरिक सिलिकॉन (Si) उपकरणों की तुलना में कई फायदे प्रदान करते हैं, जिनमें उच्च दक्षता, बिजली घनत्व और स्विचिंग आवृत्ति शामिल हैं।आयन आरोपणसी उपकरणों में चयनात्मक डोपिंग प्राप्त करने की प्राथमिक विधि है। हालाँकि, व्यापक बैंडगैप उपकरणों पर इसे लागू करते समय कुछ चुनौतियाँ हैं। इस लेख में, हम इनमें से कुछ चुनौतियों पर ध्यान केंद्रित करेंगे और GaN पावर उपकरणों में उनके संभावित अनुप्रयोगों का सारांश देंगे।

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कई कारक इसके व्यावहारिक उपयोग को निर्धारित करते हैंडोपेंट सामग्रीअर्धचालक उपकरण निर्माण में:

कब्जे वाले जाली स्थलों में कम आयनीकरण ऊर्जा। Si में आयनीकृत उथले दाता (एन-प्रकार डोपिंग के लिए) और स्वीकर्ता (पी-प्रकार डोपिंग के लिए) तत्व हैं। बैंडगैप के भीतर गहरे ऊर्जा स्तर के परिणामस्वरूप खराब आयनीकरण होता है, विशेष रूप से कमरे के तापमान पर, जिससे दी गई खुराक के लिए कम चालकता होती है। वाणिज्यिक आयन इम्प्लांटर्स में स्रोत सामग्री आयनीकरण योग्य और इंजेक्शन योग्य होती है। ठोस और गैस स्रोत सामग्री यौगिकों का उपयोग किया जा सकता है, और उनका व्यावहारिक उपयोग तापमान स्थिरता, सुरक्षा, आयन उत्पादन दक्षता, बड़े पैमाने पर पृथक्करण के लिए अद्वितीय आयनों का उत्पादन करने की क्षमता और वांछित ऊर्जा आरोपण गहराई प्राप्त करने पर निर्भर करता है।

वाणिज्यिक आयन इम्प्लांटर्स में स्रोत सामग्री आयनीकरण योग्य और इंजेक्शन योग्य। ठोस और गैस स्रोत सामग्री यौगिकों का उपयोग किया जा सकता है, और उनका व्यावहारिक उपयोग तापमान स्थिरता, सुरक्षा, आयन उत्पादन दक्षता, बड़े पैमाने पर पृथक्करण के लिए अद्वितीय आयनों का उत्पादन करने की क्षमता और वांछित ऊर्जा आरोपण गहराई प्राप्त करने पर निर्भर करता है।

तालिका 1: SiC और GaN बिजली उपकरणों में उपयोग की जाने वाली सामान्य डोपेंट प्रजातियाँ

प्रत्यारोपित सामग्री के भीतर प्रसार दर। सामान्य पोस्ट-इम्प्लांट एनीलिंग स्थितियों के तहत उच्च प्रसार दर से डिवाइस के अवांछित क्षेत्रों में अनियंत्रित जंक्शन और डोपेंट का प्रसार हो सकता है, जिसके परिणामस्वरूप डिवाइस का प्रदर्शन ख़राब हो सकता है।

सक्रियण और क्षति पुनर्प्राप्ति. डोपेंट सक्रियण में उच्च तापमान पर रिक्तियां उत्पन्न करना शामिल है, जिससे प्रत्यारोपित आयनों को अंतरालीय स्थिति से संस्थागत जाली स्थिति में स्थानांतरित करने की अनुमति मिलती है। इम्प्लांटेशन प्रक्रिया के दौरान उत्पन्न अनाकारीकरण और क्रिस्टल दोषों की मरम्मत के लिए क्षति की वसूली महत्वपूर्ण है।

तालिका 1 में SiC और GaN उपकरण निर्माण में आमतौर पर उपयोग की जाने वाली कुछ डोपेंट प्रजातियों और उनकी आयनीकरण ऊर्जाओं को सूचीबद्ध किया गया है।

जबकि SiC और GaN दोनों में एन-टाइप डोपिंग उथले डोपेंट के साथ अपेक्षाकृत सरल है, आयन इम्प्लांटेशन के माध्यम से पी-टाइप डोपिंग बनाने में एक महत्वपूर्ण चुनौती उपलब्ध तत्वों की उच्च आयनीकरण ऊर्जा है।

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कुछ प्रमुख प्रत्यारोपण औरएनीलिंग विशेषताएँGaN में शामिल हैं:

SiC के विपरीत, कमरे के तापमान की तुलना में गर्म प्रत्यारोपण का उपयोग करने में कोई महत्वपूर्ण लाभ नहीं है।

GaN के लिए, आमतौर पर इस्तेमाल किया जाने वाला n-प्रकार का डोपेंट Si द्विध्रुवीय हो सकता है, जो अपने व्यवसाय स्थल के आधार पर n-प्रकार और/या p-प्रकार का व्यवहार प्रदर्शित करता है। यह GaN वृद्धि स्थितियों पर निर्भर हो सकता है और आंशिक क्षतिपूर्ति प्रभाव को जन्म दे सकता है।

गैर-डोपित GaN में उच्च पृष्ठभूमि इलेक्ट्रॉन सांद्रता के कारण GaN की पी-डोपिंग अधिक चुनौतीपूर्ण है, सामग्री को पी-प्रकार में परिवर्तित करने के लिए उच्च स्तर के मैग्नीशियम (एमजी) पी-प्रकार डोपेंट की आवश्यकता होती है। हालाँकि, उच्च खुराक के परिणामस्वरूप उच्च स्तर के दोष होते हैं, जिससे वाहक पर कब्जा हो जाता है और गहरे ऊर्जा स्तर पर क्षतिपूर्ति होती है, जिसके परिणामस्वरूप खराब डोपेंट सक्रियण होता है।

वायुमंडलीय दबाव के तहत 840 डिग्री सेल्सियस से अधिक तापमान पर GaN विघटित हो जाता है, जिससे N की हानि होती है और सतह पर Ga बूंदों का निर्माण होता है। रैपिड थर्मल एनीलिंग (आरटीए) के विभिन्न रूपों और SiO2 जैसी सुरक्षात्मक परतों को नियोजित किया गया है। SiC के लिए उपयोग किए जाने वाले तापमान की तुलना में एनीलिंग तापमान आमतौर पर कम (<1500°C) होता है। उच्च दबाव, बहु-चक्र आरटीए, माइक्रोवेव और लेजर एनीलिंग जैसी कई विधियों का प्रयास किया गया है। फिर भी, पी+ इम्प्लांटेशन संपर्क प्राप्त करना एक चुनौती बनी हुई है।

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ऊर्ध्वाधर सी और सीआईसी बिजली उपकरणों में, किनारे समाप्ति के लिए एक सामान्य दृष्टिकोण आयन आरोपण के माध्यम से पी-प्रकार डोपिंग रिंग बनाना है।यदि चयनात्मक डोपिंग हासिल की जा सकती है, तो यह ऊर्ध्वाधर GaN उपकरणों के निर्माण की सुविधा भी प्रदान करेगा। मैग्नीशियम (एमजी) डोपेंट आयन प्रत्यारोपण को कई चुनौतियों का सामना करना पड़ता है, और उनमें से कुछ नीचे सूचीबद्ध हैं।

1. उच्च आयनीकरण क्षमता (जैसा कि तालिका 1 में दिखाया गया है)।

2. आरोपण प्रक्रिया के दौरान उत्पन्न दोषों से स्थायी समूहों का निर्माण हो सकता है, जिससे निष्क्रियता हो सकती है।

3. सक्रियण के लिए उच्च तापमान (>1300°C) की आवश्यकता होती है। यह GaN के अपघटन तापमान से अधिक है, जिसके लिए विशेष तरीकों की आवश्यकता होती है। एक सफल उदाहरण 1 GPa पर N2 दबाव के साथ अल्ट्रा-हाई प्रेशर एनीलिंग (UHPA) का उपयोग है। 1300-1480 डिग्री सेल्सियस पर एनीलिंग 70% से अधिक सक्रियण प्राप्त करता है और अच्छी सतह वाहक गतिशीलता प्रदर्शित करता है।

4. इन उच्च तापमानों पर, मैग्नीशियम प्रसार क्षतिग्रस्त क्षेत्रों में बिंदु दोषों के साथ संपर्क करता है, जिसके परिणामस्वरूप वर्गीकृत जंक्शन हो सकते हैं। एमओसीवीडी या एमबीई विकास प्रक्रियाओं को नियोजित करते समय भी पी-जीएएन ई-मोड एचईएमटी में एमजी वितरण का नियंत्रण एक महत्वपूर्ण चुनौती है।

चित्र 1: एमजी/एन सह-प्रत्यारोपण के माध्यम से पीएन जंक्शन ब्रेकडाउन वोल्टेज में वृद्धि

एमजी के साथ नाइट्रोजन (एन) के सह-प्रत्यारोपण से एमजी डोपेंट की सक्रियता में सुधार और प्रसार को दबाने में मदद मिली है।बेहतर सक्रियण का श्रेय एन इम्प्लांटेशन द्वारा रिक्तियों के संचयन को रोका जाता है, जो 1200 डिग्री सेल्सियस से ऊपर के एनीलिंग तापमान पर इन रिक्तियों के पुनर्संयोजन की सुविधा प्रदान करता है। इसके अतिरिक्त, एन इम्प्लांटेशन द्वारा उत्पन्न रिक्तियां एमजी के प्रसार को सीमित करती हैं, जिसके परिणामस्वरूप तेज जंक्शन होते हैं। इस अवधारणा का उपयोग पूर्ण आयन आरोपण प्रक्रिया के माध्यम से ऊर्ध्वाधर समतल GaN MOSFETs के निर्माण के लिए किया गया है। 1200V डिवाइस का विशिष्ट ऑन-प्रतिरोध (RDSon) प्रभावशाली 0.14 ओम-मिमी2 तक पहुंच गया। यदि इस प्रक्रिया का उपयोग बड़े पैमाने पर विनिर्माण के लिए किया जा सकता है, तो यह लागत प्रभावी हो सकती है और Si और SiC प्लेनर वर्टिकल पावर MOSFET निर्माण में उपयोग की जाने वाली सामान्य प्रक्रिया प्रवाह का पालन कर सकती है। जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है, सह-प्रत्यारोपण विधियों का उपयोग पीएन जंक्शन टूटने को तेज करता है।

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उपर्युक्त मुद्दों के कारण, पी-जीएएन डोपिंग आमतौर पर पी-जीएएन ई-मोड उच्च इलेक्ट्रॉन गतिशीलता ट्रांजिस्टर (एचईएमटी) में प्रत्यारोपित करने के बजाय विकसित की जाती है। एचईएमटी में आयन प्रत्यारोपण का एक अनुप्रयोग पार्श्व उपकरण अलगाव है। विभिन्न प्रत्यारोपण प्रजातियों, जैसे हाइड्रोजन (H), N, आयरन (Fe), आर्गन (Ar), और ऑक्सीजन (O) का प्रयास किया गया है। तंत्र मुख्य रूप से क्षति से जुड़े जाल निर्माण से संबंधित है। मेसा ईच आइसोलेशन प्रक्रियाओं की तुलना में इस पद्धति का लाभ डिवाइस की समतलता है। चित्र 2-1 प्राप्त अलगाव परत प्रतिरोध और आरोपण के बाद एनीलिंग तापमान के बीच संबंध का वर्णन करता है। जैसा कि चित्र में दिखाया गया है, 107 ओम/वर्ग से अधिक का प्रतिरोध प्राप्त किया जा सकता है।

चित्र 2: विभिन्न GaN आइसोलेशन इम्प्लांटेशन के बाद आइसोलेशन परत प्रतिरोध और एनीलिंग तापमान के बीच संबंध

हालाँकि सिलिकॉन (Si) इम्प्लांटेशन का उपयोग करके GaN परतों में n+ ओमिक संपर्क बनाने पर कई अध्ययन किए गए हैं, उच्च अशुद्धता सांद्रता और परिणामी जाली क्षति के कारण व्यावहारिक कार्यान्वयन चुनौतीपूर्ण हो सकता है।सी इम्प्लांटेशन का उपयोग करने के लिए एक प्रेरणा सोने (एयू) के उपयोग के बिना सी सीएमओएस संगत प्रक्रियाओं या बाद के धातु मिश्र धातु प्रक्रियाओं के माध्यम से कम-प्रतिरोध संपर्क प्राप्त करना है।

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एचईएमटी में, एफ की मजबूत इलेक्ट्रोनगेटिविटी का लाभ उठाकर उपकरणों के ब्रेकडाउन वोल्टेज (बीवी) को बढ़ाने के लिए कम खुराक वाले फ्लोरीन (एफ) प्रत्यारोपण का उपयोग किया गया है। 2-डीईजी इलेक्ट्रॉन गैस के पीछे एक नकारात्मक चार्ज क्षेत्र का गठन उच्च-क्षेत्र क्षेत्रों में इलेक्ट्रॉनों के इंजेक्शन को दबा देता है।

चित्र 3: (ए) आगे की विशेषताएं और (बी) ऊर्ध्वाधर जीएएन एसबीडी का रिवर्स IV, एफ इम्प्लांटेशन के बाद सुधार दिखा रहा है

GaN में आयन इम्प्लांटेशन का एक और दिलचस्प अनुप्रयोग वर्टिकल शोट्की बैरियर डायोड (एसबीडी) में एफ इम्प्लांटेशन का उपयोग है। यहां, उच्च-प्रतिरोध बढ़त समाप्ति क्षेत्र बनाने के लिए शीर्ष एनोड संपर्क के बगल की सतह पर एफ आरोपण किया जाता है। जैसा कि चित्र 3 में दिखाया गया है, रिवर्स करंट परिमाण के पांच ऑर्डर कम हो जाता है, जबकि बीवी बढ़ जाती है।**