Карбид кремния (SiC) представляет собой полупроводниковый материал, который превосходит полупроводники на основе чистого кремния в ряде приложений. Используемые в основном в силовых инверторах, моторных приводах и зарядных устройствах, SiC-устройства обладают такими преимуществами, как высокая удельная мощность и сниженные потери мощности на высоких частотах даже при высоких напряжениях. Хотя эти свойства и относительно низкая стоимость делают SiC многообещающим конкурентом в различных секторах рынка полупроводников, его низкая долговременная надежность была непреодолимым барьером на протяжении последних двух десятилетий.
Одной из самых насущных проблем с 4H-SiC — типом SiC с превосходными физическими свойствами — является биполярная деградация. Это явление вызвано распространением дефектов упаковки в кристаллах 4H-SiC. Проще говоря, небольшие дислокации в кристаллической структуре со временем перерастают в большие дефекты, называемые «одиночными дефектами упаковки Шокли», которые постепенно снижают производительность и приводят к отказу устройства. Хотя существуют некоторые способы решения этой проблемы, они удорожают процесс изготовления устройств.
К счастью, группа исследователей из Японии во главе с доцентом Масаси Като из Технологического института Нагои нашла приемлемое решение этой проблемы. В своем исследовании, опубликованном в журнале Scientific Reports , они представили метод подавления сбоев, называемый «имплантация протонов», который может предотвратить биполярную деградацию полупроводниковых пластин 4H-SiC при применении до процесса изготовления устройства.
Объясняя мотивацию этого исследования, д-р Като говорит: «Даже в недавно разработанных эпитаксиальных пластинах SiC биполярная деградация сохраняется в слоях подложки. Мы хотели помочь отрасли справиться с этой проблемой и найти способ разработки надежных устройств SiC, и поэтому решил исследовать этот метод устранения биполярной деградации». Доцент Шунта Харада из Университета Нагоя и Хитоши Сакане, академический исследователь из SHI-ATEX, оба из Японии, также принимали участие в этом исследовании.
Имплантация протонов включает «впрыскивание» ионов водорода в подложку с помощью ускорителя частиц. Идея состоит в том, чтобы предотвратить образование одиночных дефектов упаковки Шокли путем закрепления частичных дислокаций в кристалле, что является одним из эффектов введения протонных примесей. Однако сама имплантация протонов может повредить подложку 4H-SiC, поэтому высокотемпературный отжиг используется как дополнительная стадия обработки для восстановления этого повреждения.
Исследовательская группа хотела проверить, будет ли эффективна протонная имплантация перед процессом изготовления устройства, который обычно включает стадию высокотемпературного отжига. Соответственно, они применили протонную имплантацию в различных дозах на пластинах 4H-SiC и использовали их для изготовления диодов PiN.
Затем они проанализировали вольт-амперные характеристики этих диодов и сравнили их с характеристиками обычного диода без протонной имплантации. Наконец, они сделали электролюминесцентные изображения диодов, чтобы проверить, образовались ли дефекты упаковки или нет.
В целом результаты были очень многообещающими, поскольку диоды, подвергшиеся протонной имплантации, работали так же хорошо, как и обычные, но без признаков биполярной деградации. Ухудшение вольт-амперных характеристик диодов, вызванное имплантацией протонов при меньших дозах, было незначительным. Однако подавление распространения одиночных дефектов упаковки Шокли было значительным.
Исследователи надеются, что эти результаты помогут создать более надежные и экономичные устройства SiC, которые могут снизить энергопотребление в поездах и транспортных средствах.
«Хотя следует учитывать дополнительные затраты на производство протонной имплантации, они будут аналогичны затратам на имплантацию ионов алюминия, которая в настоящее время является важным шагом в производстве силовых устройств 4H-SiC», — говорит доктор Като. «Кроме того, при дальнейшей оптимизации условий имплантации существует возможность применения этого метода для изготовления других видов устройств на основе 4H-SiC».
