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离子注入 SiC 二极管的缺陷分布

2021/11/23 10:59:33     

研究人员发现,p 型双极半导体中的铝注入掺杂会产生比注入位置更深许多层的缺陷


SiC单极半导体具有广泛的商业用途,但其操作受到击穿电压和漂移层比电阻或比导通电阻之间的折衷关系的限制。

 

包括超级结结构,即在漂移层的沟槽中排列 n 和 p 层,或在器件中启用双极工作提供了一种克服这种单极限制的方法。双极工作通过在漂移层中诱导电导调制来大幅度降低导通电阻。但双极工作并非没有缺点。双极器件中的传导和开关损耗需要仔细平衡。

 

半导体中的 P 型接触层通常通过铝 (Al) 掺杂形成。铝掺杂可以通过两种方式实现 - 外延或离子注入。外延生长涉及在衬底上逐层沉积半导体材料,而离子注入则需要用高能带电粒子轰击半导体层。但是离子注入会导致在半导体层深处形成缺陷,这可能对电导调制产生关键影响。

 

在最近发表在Physica Status Solidi (b) 上的一项研究中,来自日本的研究人员调查了由 Al 掺杂形成的 SiC 双极二极管中缺陷的深度分布。 “我们的研究结果将有助于 SiC 功率器件的优化设计,该器件很快将用于电动汽车、火车等。这些结果最终将有助于提高车辆和火车牵引系统的性能、尺寸和能耗,”领导这项研究的Masashi Kato of Nagoya Institute of Technology的 Masashi Kato 说。

 

为了研究缺陷的深度分布,研究小组制造了两个带有 Al 掺杂 p 层的 SiC PiN 二极管,一个通过外延生长,另一个通过离子注入。然后,他们使用传统的“深能级瞬态光谱”(DLTS)研究了两个二极管中的缺陷分布,并使用阴极发光(CL)表征了其特性。他们发现通过外延生长的 p 型层沉积不会对相邻的 n 型层造成损坏,但生长表现出轻微的不稳定性,从而导致形成深能级缺陷。由于电导调制的影响,该二极管的比导通电阻也很低。

 

然而,对于通过离子注入形成的二极管,研究人员发现,Al 掺杂在不影响电导调制的情况下实现了高比导通电阻。此外,研究人员观察到半导体器件中的缺陷从注入区渗透到至少 20 µm。 “我们的研究表明,SiC双极器件中的离子注入需要在距有源区至少 20 µm 的地方进行处理,”Kato博士解释说。

 

碳化硅功率器件的低功耗意味着,它们在未来随着气候变化加剧和化石燃料能源危机恶化而必不可少。迅速改进半导体技术以使其在世界舞台上占据应有的地位至关重要。有了这类强有力的结果,未来的研究和制造业将受益匪浅,我们可能会比预期更早地实现这一未来!

 

参考资料

'Depth Distribution of Defects in SiC PiN Diodes Formed Using Ion Implantation or Epitaxial Growth' by Shuhei Fukaya et al; Physica Status Solidi (b) 20 October 2021

 

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