Dúshláin na Teicneolaíochta Ionchlannaithe ian i bhFeistí Cumhachta SiC agus GaN

Leathsheoltóirí leathanbhanda (WBG) marCairbíd Sileacain(SiC) agusGailliam NítrídeTáthar ag súil go mbeidh ról níos tábhachtaí ag (GaN) i bhfeistí leictreonacha cumhachta. Cuireann siad roinnt buntáistí ar fáil thar fheistí traidisiúnta Silicon (Si), lena n-áirítear éifeachtacht níos airde, dlús cumhachta, agus minicíocht aistrithe.Ionchlannú ianan príomh-mhodh chun dópáil roghnaíoch a bhaint amach i bhfeistí Si. Mar sin féin, tá roinnt dúshlán ann agus é á chur i bhfeidhm ar fheistí leathanbhanda. San Airteagal seo, díreoimid ar chuid de na dúshláin seo agus déanfaimid achoimre ar a n-iarratas féideartha i bhfeistí cumhachta GaN.

01

Cinneann roinnt fachtóirí úsáid phraiticiúil naábhair dopanti ndéantúsaíocht gléas leathsheoltóra:

Fuinneamh ianúcháin íseal sna suíomhanna laitíse áitithe. Tá deontóirí éadoimhne ianaithe (do dhópáil n-cineál) agus glacadóirí (do dhópáil cineál-p) ag Si. Mar thoradh ar na leibhéil fuinnimh níos doimhne laistigh den bhanbhearna tá droch-ianú, go háirithe ag teocht an tseomra, as a dtagann seoltacht níos ísle le haghaidh dáileog áirithe. Is féidir úsáid a bhaint as comhdhúile ábhar foinse soladach agus gáis, agus braitheann a n-úsáid phraiticiúil ar chobhsaíocht teochta, sábháilteacht, éifeachtúlacht giniúna ian, cumas iain uathúla a tháirgeadh le haghaidh scaradh mais, agus an doimhneacht ionchlannú fuinnimh atá ag teastáil a bhaint amach.

Bunábhair atá ianaithe agus in-inste in ionchlannóirí ian tráchtála. Is féidir úsáid a bhaint as comhdhúile ábhar foinse soladach agus gáis, agus braitheann a n-úsáid phraiticiúil ar chobhsaíocht teochta, sábháilteacht, éifeachtúlacht giniúna ian, cumas iain uathúla a tháirgeadh le haghaidh scaradh mais, agus an doimhneacht ionchlannú fuinnimh atá ag teastáil a bhaint amach.

Tábla 1: Speicis dopant coitianta a úsáidtear i bhfeistí cumhachta SiC agus GaN

Rátaí idirleathadh laistigh den ábhar ionchlannaithe. D'fhéadfadh go n-eascródh acomhail neamhrialaithe agus idirleathadh dopant isteach i réimsí neamh-inmhianaithe den fheiste mar thoradh ar rátaí arda idirleata faoi ghnáthchoinníollacha annealaithe iar-ionchlannaithe, rud a fhágann go bhfuil feidhmíocht an fheiste díghrádaithe.

Gníomhachtaithe agus aisghabháil damáiste. Is éard atá i gceist le gníomhachtú dopant folúntais a ghiniúint ag teochtaí arda, rud a ligeann do na hiain ionchlannaithe bogadh ó shuímh idir-rannacha go suíomhanna laitíse ionadacha. Tá aisghabháil damáiste ríthábhachtach chun amorphization agus lochtanna criostail a cruthaíodh le linn an phróisis ionchlannú a dheisiú.

I dTábla 1 liostaítear roinnt speiceas dopant a úsáidtear go coitianta agus a bhfuinneamh ianúcháin i ndéantúsaíocht feistí SiC agus GaN.

Cé go bhfuil dópáil n-cineál i SiC agus GaN araon sách simplí le dopants éadomhain, príomhdhúshlán a bhaineann le dópáil p-cineál a chruthú trí ionchlannú ian ná fuinneamh ard ianúcháin na n-eilimintí atá ar fáil.

02

Roinnt ionchlannú eochair agustréithe annealingde GaN san áireamh:

Murab ionann agus SiC, níl aon bhuntáiste suntasach ann maidir le hionchlannú te a úsáid i gcomparáid le teocht an tseomra.

Maidir le GaN, is féidir leis an dopant n-cineál Si a úsáidtear go coitianta a bheith ambipolar, ag taispeáint iompraíocht n-cineál agus/nó cineál p ag brath ar a shuíomh gairme. D’fhéadfadh sé seo a bheith ag brath ar choinníollacha fáis GaN agus go mbeadh éifeachtaí cúitimh páirteach mar thoradh air.

Tá P-dhópáil GaN níos dúshlánaí mar gheall ar an tiúchan ard leictreoin sa chúlra i GaN neamhdhópáilte, a éilíonn leibhéil arda maignéisiam (Mg) p-cineál dopant chun an t-ábhar a thiontú i gcineál p. Mar sin féin, bíonn leibhéil arda lochtanna mar thoradh ar dáileoga arda, rud a fhágann go mbíonn gabháil iompróra agus cúiteamh ag leibhéil fuinnimh níos doimhne, rud a fhágann droch-ghníomhachtú dopant.

Díscaoileann GaN ag teochtaí níos airde ná 840 ° C faoi bhrú an atmaisféir, rud a fhágann go gcailltear N agus foirmítear braoiníní Ga ar an dromchla. Baineadh úsáid as foirmeacha éagsúla mear-anála teirmeach (RTA) agus sraitheanna cosanta ar nós SiO2. Go hiondúil bíonn na teochtaí anála níos ísle (<1500°C) i gcomparáid leo siúd a úsáidtear le haghaidh SiC. Tá iarracht déanta ar roinnt modhanna mar ardbhrú, RTA il-timthriall, micreathonn, agus anáil léasair. Mar sin féin, is dúshlán fós é teagmhálacha ionchlannaithe p+ a bhaint amach.

03

I bhfeistí cumhachta ingearacha Si agus SiC, is é cur chuige coitianta maidir le foirceannadh imeall fáinne dópála p-chineál a chruthú trí ionchlannú ian.Más féidir dópáil roghnaíoch a bhaint amach, d’éascódh sé freisin bunú gléasanna ingearacha GaN. Tá roinnt dúshlán roimh ionchlannú ian dopant maignéisiam (Mg), agus tá cuid acu liostaithe thíos.

1. Poitéinseal ianúcháin ard (mar a thaispeántar i dTábla 1).

2. D'fhéadfadh foirmiú braislí buana a bheith mar thoradh ar lochtanna a ghintear le linn an phróisis ionchlannaithe, rud a fhágann díghníomhachtú.

3. Teastaíonn teochtaí arda (>1300°C) le haghaidh gníomhachtaithe. Sáraíonn sé seo an teocht dianscaoilte GaN, rud a éilíonn modhanna speisialta. Sampla rathúil amháin is ea úsáid a bhaint as anáil brú ultra-ard (UHPA) le brú N2 ag 1 GPa. Baintear níos mó ná 70% de ghníomhachtú amach ag anáil ag 1300-1480 ° C agus taispeánann sé soghluaisteacht iompróra dromchla maith.

4. Ag na teochtaí arda seo, idirleathadh maignéisiam idirghníomhú le lochtanna pointe sna réigiúin damáiste, is féidir a bheith mar thoradh ar acomhail grádaithe. Is príomhdhúshlán é dáileadh Mg a rialú i HEMTanna r-mhód p-GaN, fiú agus próisis fáis MOCVD nó MBE á bhfostú.

Fíor 1: Méadú ar an voltas miondealaithe acomhail pn trí chomh-ionchlannú Mg/N

Tá sé léirithe go bhfeabhsaíonn comh-ionchlannú nítrigine (N) le Mg gníomhachtú Mg dopants agus go gcuireann sé idirleathadh faoi chois.Cuirtear an gníomhachtú feabhsaithe i leith an chosc ar cheirtleán folúntais trí ionchlannú N, rud a éascaíonn na folúntais seo a athcheangal ag teochtaí anála os cionn 1200°C. Ina theannta sin, cuireann na folúntais a ghineann ionchlannú N teorainn le idirleathadh Mg, rud a fhágann go mbíonn acomhail níos géire ann. Baineadh úsáid as an gcoincheap seo chun MOSFETanna ingearach plánacha GaN a mhonarú trí phróiseas ionchlannaithe ian iomlán. Shroich frithsheasmhacht shonrach (RDSon) an fheiste 1200V 0.14 Ohms-mm2 mórthaibhseach. Más féidir an próiseas seo a úsáid le haghaidh déantúsaíochta ar scála mór, d'fhéadfadh sé a bheith éifeachtach ó thaobh costais agus leanúint leis an sreabhadh próiseas coitianta a úsáidtear i monarú MOSFET cumhachta ingearach Si agus SiC planar. Mar a léirítear i bhFíor 1, cuireann úsáid modhanna comh-ionchlannaithe dlús le miondealú acomhal pn.

04

Mar gheall ar na saincheisteanna thuasluaite, is gnách go bhfástar dópáil p-GaN seachas ionchlannú i dtrasraitheoirí ard-ghluaisteachta leictreoin (HEMTanna) p-GaN. Feidhm amháin d’ionchlannú ian i HEMTanna ná leithlisiú gléas cliathánach. Tá iarracht déanta ar speicis ionchlannáin éagsúla, mar shampla hidrigin (H), N, iarann ​​(Fe), argón (Ar), agus ocsaigin (O). Baineann an mheicníocht go príomha le foirmiú gaiste a bhaineann le damáiste. Is é an buntáiste a bhaineann leis an modh seo i gcomparáid le próisis leithlisithe mesa etch ná maoile gléas. Déanann Fíor 2-1 cur síos ar an gcaidreamh idir an fhriotaíocht ciseal leithlis a baineadh amach agus an teocht annealing tar éis ionchlannú. Mar a thaispeántar san fhíor, is féidir friotaíocht os cionn 107 Ohms/cearnach a bhaint amach.

Fíor 2: An gaol idir an fhriotaíocht ciseal leithlis agus an teocht annealing tar éis ionchlannáin leithlisithe éagsúla GaN

Cé go bhfuil roinnt staidéar déanta ar theagmhálacha n+ Ohmic a chruthú i sraitheanna GaN ag baint úsáide as ionchlannú sileacain (Si), is féidir le cur i bhfeidhm praiticiúil a bheith dúshlánach mar gheall ar thiúchan ard eisíontais agus damáiste laitíse dá bharr.Spreagadh amháin chun ionchlannú Si a úsáid ná teagmhálacha ísealfhriotaíochta a bhaint amach trí phróisis comhoiriúnacha Si CMOS nó próisis chóimhiotail iar-mhiotail ina dhiaidh sin gan úsáid a bhaint as óir (Au).

05

I HEMTanna, baineadh úsáid as ionchlannú fluairín íseal-dáileog (F) chun voltas miondealaithe (BV) feistí a mhéadú trí leictridhiúltacht láidir F a ghiaráil. Cuireann bunú réigiún luchtaithe diúltach ar chúl an gháis leictreoin 2-DEG faoi chois instealladh leictreon i réigiúin ard-réimse.

Fíor 3: (a) Saintréithe ar aghaidh agus (b) droim ar ais IV de ingearach GaN SBD ag taispeáint feabhas tar éis ionchlannú F

Feidhm spéisiúil eile a bhaineann le hionchlannú ian in GaN is ea an úsáid a bhaintear as ionchlannú F i nDé-óid Bhacainn Schottky ingearach (SBDanna). Anseo, déantar ionchlannú F ar an dromchla in aice leis an teagmháil barr anóid chun réigiún foirceannadh imeall ardfhriotaíochta a chruthú. Mar a léirítear i bhFíor 3, laghdaítear an sruth droim ar ais faoi chúig ordú méide, agus méadaítear BV.**