SiC နှင့် GaN ပါဝါစက်ပစ္စည်းများတွင် Ion Implantation Technology ၏စိန်ခေါ်မှုများ

Wide bandgap (WBG) ကဲ့သို့သော semiconductors များဆီလီကွန်ကာဗိုက်(SiC) နှင့်ဂယ်လီယမ်နိုက်ထရိတ်(GaN) သည် ပါဝါ အီလက်ထရွန်နစ် ကိရိယာများတွင် ပို၍ အရေးကြီးသော အခန်းကဏ္ဍမှ ပါဝင်လာမည်ဟု မျှော်လင့်ရသည်။ ၎င်းတို့သည် ပိုမိုမြင့်မားသော စွမ်းဆောင်ရည်၊ ပါဝါသိပ်သည်းမှုနှင့် ကူးပြောင်းမှုအကြိမ်ရေ အပါအဝင် ရိုးရာ Silicon (Si) စက်များထက် အားသာချက်များစွာကို ပေးဆောင်သည်။အိုင်းယွန်းစိုက်ခြင်း။Si စက်ပစ္စည်းများတွင် ရွေးချယ်ထားသော မူးယစ်ဆေးဝါးများရရှိရန် အဓိကနည်းလမ်းဖြစ်သည်။ သို့သော်လည်း ၎င်းကို ကျယ်ပြန့်သော bandgap စက်ပစ္စည်းများတွင် အသုံးပြုရာတွင် စိန်ခေါ်မှုအချို့ရှိသည်။ ဤဆောင်းပါးတွင်၊ ဤစိန်ခေါ်မှုအချို့ကိုအာရုံစိုက်ပြီး GaN ပါဝါစက်ပစ္စည်းများတွင် ၎င်းတို့၏အလားအလာရှိသောအသုံးချပရိုဂရမ်များကို အကျဉ်းချုပ်ဖော်ပြပါမည်။

01

အချက်ပေါင်းများစွာ လက်တွေ့အသုံးပြုမှုကို ဆုံးဖြတ်သည်။dopant ပစ္စည်းများတစ်ပိုင်းလျှပ်ကူးပစ္စည်း ထုတ်လုပ်ရေးတွင်

သိမ်းပိုက်ထားသော ရာဇမတ်ကွက်များအတွင်း အိုင်ယွန်ဓာတ်နည်းသော စွမ်းအင်။ Si တွင် ionizable ရေတိမ်အလှူရှင်များ (n-type doping) နှင့် လက်ခံသူများ (p-type doping) ဒြပ်စင်များရှိသည်။ Bandgap အတွင်း ပိုမိုနက်ရှိုင်းသော စွမ်းအင်ပမာဏသည် အထူးသဖြင့် အခန်းအပူချိန်တွင် အိုင်ယွန်ဓာတ် အားနည်းခြင်းကို ဖြစ်ပေါ်စေပြီး ပေးထားသော ဆေးပမာဏအတွက် လျှပ်ကူးနိုင်စွမ်း နည်းပါးစေသည်။ အရင်းအမြစ်ပစ္စည်းများသည် အိုင်ယွန် စိုက်စက်များတွင် အိုင်ယွန်ထည့်၍ စီးပွားဖြစ် အိုင်ယွန် စိုက်စက်များတွင် ထိုးသွင်းနိုင်သော ပစ္စည်းများဖြစ်သည်။ အစိုင်အခဲနှင့် ဓာတ်ငွေ့ရင်းမြစ် ပစ္စည်းများ ဒြပ်ပေါင်းများကို အသုံးပြုနိုင်ပြီး ၎င်းတို့၏ လက်တွေ့အသုံးပြုမှုသည် အပူချိန် တည်ငြိမ်မှု၊ ဘေးကင်းမှု၊ အိုင်းယွန်းထုတ်လုပ်မှု ထိရောက်မှု၊ အစုလိုက်အပြုံလိုက် ခွဲထုတ်ရန်အတွက် သီးသန့်အိုင်းယွန်းများ ထုတ်လုပ်နိုင်မှုနှင့် လိုချင်သော စွမ်းအင်ထည့်သွင်းမှု အတိမ်အနက်အပေါ် မူတည်သည်။

လုပ်ငန်းသုံး အိုင်းယွန်းစိုက်စက်များတွင် ionizable နှင့် ထိုးနိုင်သော အရင်းအမြစ်ပစ္စည်းများ။ အစိုင်အခဲနှင့် ဓာတ်ငွေ့ရင်းမြစ် ပစ္စည်းများ ဒြပ်ပေါင်းများကို အသုံးပြုနိုင်ပြီး ၎င်းတို့၏ လက်တွေ့အသုံးပြုမှုသည် အပူချိန်တည်ငြိမ်မှု၊ ဘေးကင်းမှု၊ အိုင်းယွန်းထုတ်လုပ်မှု ထိရောက်မှု၊ အစုလိုက်အပြုံလိုက် ခွဲထုတ်ခြင်းအတွက် ထူးခြားသော အိုင်းယွန်းများ ထုတ်လုပ်နိုင်မှုနှင့် အလိုရှိသော စွမ်းအင်ထည့်သွင်းမှု အတိမ်အနက်အပေါ် မူတည်သည်။

ဇယား 1- SiC နှင့် GaN ပါဝါစက်ပစ္စည်းများတွင် အသုံးပြုလေ့ရှိသော အဆိပ်သင့်မျိုးစိတ်များ

စိုက်ထားသော ပစ္စည်းအတွင်း ပျံ့နှံ့မှုနှုန်း။ ပုံမှန် implant annealing အခြေအနေအောက်တွင် မြင့်မားသော ပျံ့နှံ့မှုနှုန်းသည် စက်၏ မလိုလားအပ်သော နေရာများသို့ ပျံ့နှံ့သွားကာ ထိန်းချုပ်မရသော လမ်းဆုံများကို ဖြစ်ပေါ်စေနိုင်ပြီး စက်ပစ္စည်း၏ စွမ်းဆောင်ရည်ကို ကျဆင်းစေသည်။

အသက်သွင်းခြင်းနှင့် ပျက်စီးခြင်း ပြန်လည်ရယူခြင်း။ Dopant activation သည် မြင့်မားသောအပူချိန်တွင် လစ်လပ်နေရာများဖန်တီးပေးခြင်းပါဝင်ပြီး စိုက်ထားသောအိုင်းယွန်းများကို ကြားခံနေရာများမှ အစားထိုးရာဇမတ်ကွက်များဆီသို့ ရွေ့ပြောင်းစေခြင်းပါဝင်သည်။ အစားထိုးခြင်းလုပ်ငန်းစဉ်အတွင်း ဖန်တီးထားသော အညစ်အကြေးများနှင့် ပုံဆောင်ခဲချို့ယွင်းချက်များကို ပြုပြင်ရန်အတွက် ပျက်စီးဆုံးရှုံးမှု ပြန်လည်ရရှိရန် အရေးကြီးပါသည်။

ဇယား 1 သည် SiC နှင့် GaN စက်ပစ္စည်းထုတ်လုပ်ခြင်းတွင် အသုံးများသော dopant မျိုးစိတ်များနှင့် ၎င်းတို့၏ ionization စွမ်းအင်အချို့ကို စာရင်းပြုစုထားသည်။

SiC နှင့် GaN နှစ်မျိုးလုံးတွင် N-type doping သည် ရေတိမ်ပိုင်းဆေးများနှင့် အတော်လေး ရိုးရှင်းသော်လည်း p-type doping ကို ဖန်တီးရာတွင် အဓိကစိန်ခေါ်မှုမှာ ရရှိနိုင်သောဒြပ်စင်များ၏ မြင့်မားသော ionization စွမ်းအင်ဖြစ်သည်။

02

အချို့သော့ implantation နှင့်annealing လက္ခဏာများGaN တွင်-

SiC နှင့် မတူဘဲ၊ အခန်းအပူချိန်နှင့် နှိုင်းယှဉ်ပါက ပူပြင်းသော အစားထိုးထည့်သွင်းခြင်းတွင် သိသိသာသာ အားသာချက်မရှိပါ။

GaN အတွက်၊ အသုံးများသော n-type dopant Si သည် ၎င်း၏ အလုပ်အကိုင် site ပေါ်မူတည်၍ n-type နှင့်/or p-type အပြုအမူများကို ပြသသည့် ambipolar ဖြစ်နိုင်ပါသည်။ ၎င်းသည် GaN တိုးတက်မှုအခြေအနေများပေါ်တွင်မူတည်ပြီး တစ်စိတ်တစ်ပိုင်းလျော်ကြေးသက်ရောက်မှုများဖြစ်ပေါ်စေနိုင်သည်။

GaN ၏ P-dopping သည် undopeded GaN တွင်မြင့်မားသောနောက်ခံအီလက်ထရွန်အာရုံစူးစိုက်မှုကြောင့်ပိုမိုစိန်ခေါ်မှုဖြစ်သည်ပစ္စည်းကို p-type အဖြစ်သို့ပြောင်းလဲရန် မဂ္ဂနီဆီယမ် (Mg) p-type dopant မြင့်မားစွာလိုအပ်သည်။ သို့သော် မြင့်မားသောဆေးများသည် ချို့ယွင်းချက်မြင့်မားမှုကို ဖြစ်ပေါ်စေပြီး သယ်ဆောင်သူအား ဖမ်းယူမှုနှင့် လျော်ကြေးပေးမှုတို့ကို ပိုမိုနက်ရှိုင်းသော စွမ်းအင်အဆင့်တွင် ဖြစ်ပေါ်စေကာ ဆီးလမ်းကြောင်း၏ လှုပ်ရှားမှုကို အားနည်းစေသည်။

GaN သည် လေထုဖိအားအောက်တွင် 840°C ထက်မြင့်သောအပူချိန်တွင် ပြိုကွဲစေပြီး N ဆုံးရှုံးမှုနှင့် မျက်နှာပြင်ပေါ်ရှိ Ga အမှုန်အမွှားများ ဖြစ်ပေါ်စေသည်။ လျင်မြန်သော အပူအအေးခံခြင်း (RTA) နှင့် SiO2 ကဲ့သို့သော အကာအကွယ်အလွှာအမျိုးမျိုးကို အသုံးပြုထားသည်။ SiC အတွက် အသုံးပြုသည့် အပူချိန်များနှင့် နှိုင်းယှဉ်ပါက ပုံမှန်အားဖြင့် (<1500°C) နိမ့်ပါသည်။ ဖိအားမြင့်ခြင်း၊ စက်ဝိုင်းပေါင်းများစွာ RTA၊ မိုက်ခရိုဝေ့ဖ်နှင့် လေဆာရောင်ခြည်ဖြာထွက်ခြင်းကဲ့သို့သော နည်းလမ်းများစွာကို ကြိုးပမ်းခဲ့သည်။ မည်သို့ပင်ဆိုစေကာ၊

03

ဒေါင်လိုက် Si နှင့် SiC ပါဝါစက်ပစ္စည်းများတွင်၊ edge termination အတွက် ဘုံချဉ်းကပ်နည်းမှာ ion implantation ဖြင့် p-type doping ring တစ်ခုဖန်တီးရန်ဖြစ်သည်။အကယ်၍ ရွေးချယ်ထားသော တားမြစ်ဆေးကို အောင်မြင်ပါက၊ ၎င်းသည် ဒေါင်လိုက် GaN ကိရိယာများ ဖွဲ့စည်းရာတွင်လည်း အဆင်ပြေစေမည်ဖြစ်သည်။ မဂ္ဂနီဆီယမ် (Mg) dopant ion အစားထိုး စိုက်ပျိုးခြင်းသည် စိန်ခေါ်မှုများစွာ ကြုံတွေ့ရပြီး ၎င်းတို့ထဲမှ အချို့ကို အောက်တွင် ဖော်ပြထားပါသည်။

1. High ionization ဖြစ်နိုင်ချေ (ဇယား 1 တွင်ပြထားသည့်အတိုင်း)။

2. စိုက်ခြင်း လုပ်ငန်းစဉ်အတွင်း ထုတ်ပေးသော ချို့ယွင်းချက်များသည် အမြဲတမ်း အစုအဝေးများ ဖွဲ့စည်းခြင်းကို ဖြစ်ပေါ်စေပြီး ပိတ်သွားစေသည်။

3. မြင့်မားသောအပူချိန် (> 1300 ဒီဂရီစင်တီဂရိတ်) ကို စတင်အသုံးပြုရန် လိုအပ်ပါသည်။ ၎င်းသည် အထူးနည်းလမ်းများဖြင့် GaN ၏ပြိုကွဲပျက်စီးမှုအပူချိန်ထက် ကျော်လွန်နေပါသည်။ အောင်မြင်သောဥပမာတစ်ခုမှာ 1 GPa တွင် N2 ဖိအားဖြင့် ultra-high pressure annealing (UHPA) ကိုအသုံးပြုခြင်းဖြစ်သည်။ 1300-1480 ဒီဂရီ စင်တီဂရိတ်တွင် ပေါင်းထည့်ခြင်းသည် 70% ကျော် အသက်ဝင်လာပြီး ကောင်းသော မျက်နှာပြင် သယ်ဆောင်ရွေ့လျားမှုကို ပြသသည်။

4. ဤမြင့်မားသောအပူချိန်တွင်၊ မဂ္ဂနီဆီယမ်ပျံ့လွင့်မှုသည် ပျက်စီးသွားသောဒေသများရှိ အမှတ်ချွတ်ယွင်းချက်များနှင့် ဓါတ်ပြုနိုင်ပြီး အဆင့်သတ်မှတ်ထားသော လမ်းဆုံများကို ဖြစ်ပေါ်စေနိုင်သည်။ p-GaN အီးမုဒ် HEMTs တွင် Mg ဖြန့်ဖြူးမှုကို ထိန်းချုပ်ခြင်းသည် MOCVD သို့မဟုတ် MBE တိုးတက်မှုလုပ်ငန်းစဉ်များကို အသုံးပြုသည့်အခါတွင်ပင် အဓိကစိန်ခေါ်မှုဖြစ်သည်။

ပုံ 1- Mg/N ပေါင်းစပ်ထည့်သွင်းခြင်းမှတဆင့် pn လမ်းခွဲပြိုကွဲဗို့အား တိုးလာသည်။

နိုက်ထရိုဂျင် (N) ကို Mg နှင့် တွဲဖက်ထည့်သွင်းခြင်းသည် Mg dopants ၏ အသက်ဝင်မှုကို တိုးတက်စေပြီး ပျံ့နှံ့မှုကို တားဆီးပေးကြောင်း ပြသထားသည်။ပိုမိုကောင်းမွန်သောအသက်သွင်းမှုသည် N ထည့်သွင်းခြင်းဖြင့် လစ်လပ်ပေါင်းစည်းခြင်းကို ဟန့်တားခြင်းကြောင့်ဖြစ်ပြီး၊ အဆိုပါလစ်လပ်နေသောနေရာများကို 1200°C အထက် annealing temperatures တွင် ပြန်လည်ပေါင်းစည်းနိုင်စေရန် ကူညီပေးသောကြောင့်ဖြစ်သည်။ ထို့အပြင် N implantation မှထုတ်ပေးသောလစ်လပ်နေရာများသည် Mg ပျံ့နှံ့မှုကိုကန့်သတ်ထားသောကြောင့်လမ်းဆုံများပိုမိုမတ်စောက်သည်။ ဤအယူအဆကို အပြည့်အ၀ ion implantation လုပ်ငန်းစဉ်ဖြင့် ဒေါင်လိုက် Planar GaN MOSFETs ထုတ်လုပ်ရန် အသုံးပြုထားသည်။ 1200V စက်၏ သီးခြား on-resistance (RDson) သည် အထင်ကြီးလောက်စရာ 0.14 Ohms-mm2 သို့ ရောက်ရှိသွားသည်။ ဤလုပ်ငန်းစဉ်ကို အကြီးစားထုတ်လုပ်မှုအတွက် အသုံးချနိုင်ပါက၊ ၎င်းသည် ကုန်ကျစရိတ်သက်သာနိုင်ပြီး Si နှင့် SiC planar vertical power MOSFET fabrication တွင် အသုံးပြုသည့် ဘုံလုပ်ငန်းစဉ်ကို လိုက်နာဆောင်ရွက်နိုင်ပါသည်။ ပုံ 1 တွင်ပြထားသည့်အတိုင်း၊ ပူးတွဲထည့်သွင်းခြင်းနည်းလမ်းများကိုအသုံးပြုခြင်းသည် pn လမ်းဆုံပြိုကွဲမှုကို အရှိန်မြှင့်စေသည်။

04

အထက်ဖော်ပြပါ ကိစ္စရပ်များကြောင့် p-GaN doping ကို p-GaN e-mode high electron mobility transistors (HEMTs) တွင် ထည့်သွင်းခြင်းထက် ပုံမှန်အားဖြင့် ကြီးထွားလာသည်။ HEMTs တွင် အိုင်းယွန်းထည့်သွင်းခြင်းဆိုင်ရာ အသုံးချမှုတစ်ခုသည် ဘေးထွက်ပစ္စည်းကို သီးခြားခွဲထုတ်ခြင်း ဖြစ်သည်။ ဟိုက်ဒရိုဂျင် (H)၊ N၊ သံ (Fe)၊ အာဂွန် (Ar) နှင့် အောက်ဆီဂျင် (O) ကဲ့သို့သော အမျိုးမျိုးသော implant မျိုးစိတ်များကို ကြိုးပမ်းခဲ့သည်။ ယန္တရားသည် ပျက်စီးမှုနှင့် ဆက်နွှယ်သော ထောင်ချောက်ဖွဲ့စည်းခြင်းနှင့် အဓိက ဆက်စပ်သည်။ mesa etch isolation လုပ်ငန်းစဉ်များနှင့် နှိုင်းယှဉ်ပါက ဤနည်းလမ်း၏ အားသာချက်မှာ device flatness ဖြစ်သည်။ ပုံ 2-1 သည် အောင်မြင်သော အထီးကျန်အလွှာခံနိုင်ရည်နှင့် အစားထိုးထည့်သွင်းပြီးနောက် annealing temperature အကြား ဆက်နွယ်မှုကို ဖော်ပြသည်။ ပုံတွင်ပြထားသည့်အတိုင်း 107 Ohms/sq ထက်ပိုသော ခံနိုင်ရည်အား ရရှိနိုင်သည်။

ပုံ 2- GaN အထီးကျန်အလွှာကို စိုက်ထည့်ပြီးနောက် အထီးကျန်အလွှာခံနိုင်ရည်နှင့် annealing အပူချိန်ကြား ဆက်စပ်မှု

ဆီလီကွန် (Si) ထည့်သွင်းခြင်းကို အသုံးပြု၍ GaN အလွှာများရှိ n+ Ohmic အဆက်အသွယ်များကို ဖန်တီးခြင်းအပေါ် လေ့လာမှုများစွာ ပြုလုပ်ခဲ့သော်လည်း၊ လက်တွေ့တွင် ညစ်ညမ်းမှုပါဝင်မှု မြင့်မားပြီး ရာဇမတ်ကွက်များ ပျက်စီးခြင်းကြောင့် လက်တွေ့အကောင်အထည်ဖော်ရာတွင် စိန်ခေါ်မှုများရှိနိုင်သည်။Si implantation ကိုအသုံးပြုခြင်းအတွက် တွန်းအားပေးမှုတစ်ခုမှာ Si CMOS လိုက်ဖက်ညီသော လုပ်ငန်းစဉ်များ သို့မဟုတ် ရွှေ (Au) ကို အသုံးမပြုဘဲ နောက်ဆက်တွဲ သတ္တုလွန်သတ္တုစပ် လုပ်ငန်းစဉ်များမှတစ်ဆင့် ခုခံမှုနည်းသော အဆက်အသွယ်များကို ရရှိရန်ဖြစ်သည်။

05

HEMTs များတွင် F ၏ ပြင်းထန်သော အီလက်ထရောနစ် အာရုံခံနိုင်စွမ်းကို အသုံးချခြင်းဖြင့် စက်များ၏ ပြိုကွဲဗို့အား (BV) ကို တိုးမြှင့်ရန်အတွက် ပမာဏနည်း ဖလိုရင်း (F) အစားထိုးခြင်းကို အသုံးပြုထားသည်။ 2-DEG အီလက်ထရွန်ဓာတ်ငွေ့၏ နောက်ကျောဘက်ရှိ အနှုတ်လက္ခဏာဆောင်သောနေရာတစ်ခု ဖွဲ့စည်းခြင်းသည် အီလက်ထရွန်များကို မြင့်မားသောနယ်ပယ်များထဲသို့ ထိုးသွင်းခြင်းကို ဖိနှိပ်သည်။

ပုံ 3- (က) ရှေ့သို့ဝိသေသလက္ခဏာများနှင့် (ခ) ဒေါင်လိုက် GaN SBD ၏ ပြောင်းပြန် IV သည် F ထည့်သွင်းပြီးနောက် တိုးတက်မှုကိုပြသသည်

GaN တွင် အိုင်းယွန်းထည့်သွင်းခြင်း၏ နောက်ထပ်စိတ်ဝင်စားစရာကောင်းသော အသုံးချပရိုဂရမ်မှာ ဒေါင်လိုက် Schottky Barrier Diodes (SBDs) တွင် F ထည့်သွင်းခြင်းကို အသုံးပြုခြင်းဖြစ်သည်။ ဤတွင်၊ F ထည့်သွင်းခြင်းကို ခံနိုင်ရည်မြင့်မားသော အစွန်းပိုင်းဖြတ်ပိုင်းဒေသကို ဖန်တီးရန် ထိပ် anode အဆက်အသွယ်ဘေးရှိ မျက်နှာပြင်ပေါ်တွင် F implantation ကို လုပ်ဆောင်သည်။ ပုံ 3 တွင်ပြထားသည့်အတိုင်း၊ ပြောင်းပြန်လျှပ်စီးကြောင်းအား ပြင်းအားငါးခုဖြင့် လျှော့ချပြီး BV တိုးလာချိန်တွင်ဖြစ်သည်။**