SiC工艺 | 质子注入缺陷抑制技术解决碳化硅层错难题

质子有可能解决长期存在的碳化硅问题，在器件制造之前进行质子注入可以释放碳化硅的真正潜力

名古屋理工学院加藤正史领导的团队为4H-SiC的一个紧迫问题——由4H-SiC晶体中的层错扩展引起的双极性退化——找到了一个可行的解决方案。

他们提出了一种称为“质子注入”的故障抑制技术，当在器件制造工艺之前应用时，该技术可以防止4H-SiC半导体晶片中的双极性退化。

通常，晶体结构中的小位错随着时间的推移成长为称为“单一Shockley堆积缺陷”的大缺陷，这种缺陷会逐渐降低性能并导致器件失效。尽管存在一些缓解这一问题的方法，但它们使器件制造过程更加昂贵。

加藤正史这项研究的方法是质子注入，它涉及使用粒子加速器将氢离子注入衬底。通过在晶体中钉住部分位错来防止形成单一的Shockley层错，这是引入质子杂质导致的。然而，质子注入本身会损坏4H-SiC衬底，因此高温退火被用作修复该损伤的额外处理步骤。

他表示，“即使在最近开发的碳化硅外延晶片中，双极性退化仍然存在于衬底层中。我们希望帮助业界应对这一挑战，找到开发可靠碳化硅器件的方法，因此，决定研究这种消除双极性退化的方法。”

该研究团队希望验证在器件制造工艺，也包括高温退火步骤，之前应用质子注入是否有效。他们在4H-SiC晶片上施加了不同剂量的质子注入，并用它们制造了PiN二极管。

之后，通过分析二极管的电流-电压特性，并将它们与没有质子注入的常规二极管进行了比较，他们拍摄了二极管的电致发光图像，以检查堆叠故障是否已经形成。

他们的结果表明，经过质子注入的二极管表现与常规二极管一样好，但没有双极退化的迹象。低剂量质子注入导致的二极管电流-电压特性的恶化并不显著。然而，单个Shockley层错的扩展受到了显著的抑制。

Kato说：“虽然质子注入有额外制造成本，但与铝离子注入产生的成本类似，而铝离子注入目前是制造4H-SiC功率器件的关键。随着注入条件的进一步优化，有可能将这种方法应用于基于4H-SiC的其他类型器件的制造。”

研究人员希望，这些发现将有助于实现更可靠、更具成本效益的碳化硅器件，从而降低动力牵引和电动汽车的能耗。

来源：PSD功率系统设计