SiC এবং GaN পাওয়ার ডিভাইসে আয়ন ইমপ্লান্টেশন প্রযুক্তির চ্যালেঞ্জ

ওয়াইড ব্যান্ডগ্যাপ (WBG) সেমিকন্ডাক্টর যেমনসিলিকন কারবাইড(SiC) এবংগ্যালিয়াম নাইট্রাইড(GaN) পাওয়ার ইলেকট্রনিক ডিভাইসে ক্রমবর্ধমান গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করবে বলে আশা করা হচ্ছে। তারা প্রথাগত সিলিকন (Si) ডিভাইসগুলির উপর উচ্চতর দক্ষতা, পাওয়ার ঘনত্ব এবং সুইচিং ফ্রিকোয়েন্সি সহ বিভিন্ন সুবিধা প্রদান করে।আয়ন ইমপ্লান্টেশনSi ডিভাইসে নির্বাচনী ডোপিং অর্জনের প্রাথমিক পদ্ধতি। যাইহোক, ওয়াইড ব্যান্ডগ্যাপ ডিভাইসে এটি প্রয়োগ করার সময় কিছু চ্যালেঞ্জ রয়েছে। এই নিবন্ধে, আমরা এই কয়েকটি চ্যালেঞ্জের উপর ফোকাস করব এবং GaN পাওয়ার ডিভাইসগুলিতে তাদের সম্ভাব্য অ্যাপ্লিকেশনগুলির সংক্ষিপ্তসার করব।

01

বেশ কয়েকটি কারণ এর ব্যবহারিক ব্যবহার নির্ধারণ করেডোপ্যান্ট উপকরণসেমিকন্ডাক্টর ডিভাইস তৈরিতে:

দখলকৃত জালি সাইটগুলিতে কম আয়নকরণ শক্তি। Si এর ionizable অগভীর দাতা (n-টাইপ ডোপিংয়ের জন্য) এবং গ্রহণকারীদের (p-টাইপ ডোপিংয়ের জন্য) উপাদান রয়েছে। ব্যান্ডগ্যাপের মধ্যে গভীর শক্তির স্তরের ফলে নিম্ন আয়নকরণ হয়, বিশেষ করে ঘরের তাপমাত্রায়, যা প্রদত্ত ডোজের জন্য কম পরিবাহিতাকে নেতৃত্ব দেয়। বাণিজ্যিক আয়ন ইমপ্লান্টারগুলিতে আয়নযোগ্য এবং ইনজেকশনযোগ্য উৎস উপকরণ। সলিড এবং গ্যাসের উৎস উপাদান যৌগ ব্যবহার করা যেতে পারে, এবং তাদের ব্যবহারিক ব্যবহার তাপমাত্রা স্থিতিশীলতা, নিরাপত্তা, আয়ন উত্পাদন দক্ষতা, ভর পৃথকীকরণের জন্য অনন্য আয়ন তৈরি করার ক্ষমতা এবং কাঙ্ক্ষিত শক্তি ইমপ্লান্টেশন গভীরতা অর্জনের উপর নির্ভর করে।

উৎস উপকরণ ionizable এবং বাণিজ্যিক আয়ন ইমপ্লান্টার ইনজেকশনযোগ্য. সলিড এবং গ্যাসের উৎস উপাদান যৌগ ব্যবহার করা যেতে পারে, এবং তাদের ব্যবহারিক ব্যবহার তাপমাত্রা স্থিতিশীলতা, নিরাপত্তা, আয়ন উত্পাদন দক্ষতা, ভর পৃথকীকরণের জন্য অনন্য আয়ন তৈরি করার ক্ষমতা এবং কাঙ্ক্ষিত শক্তি ইমপ্লান্টেশন গভীরতা অর্জনের উপর নির্ভর করে।

সারণি 1: SiC এবং GaN পাওয়ার ডিভাইসে ব্যবহৃত সাধারণ ডোপান্ট প্রজাতি

ইমপ্লান্ট করা উপাদানের মধ্যে ছড়িয়ে পড়ার হার। ইমপ্লান্ট-পরবর্তী অ্যানিলিং অবস্থার মধ্যে উচ্চ প্রসারণের হার ডিভাইসের অবাঞ্ছিত এলাকায় অনিয়ন্ত্রিত জংশন এবং ডোপান্টের বিস্তার ঘটাতে পারে, যার ফলে ডিভাইসের কর্মক্ষমতা হ্রাস পায়।

সক্রিয়করণ এবং ক্ষতি পুনরুদ্ধার. ডোপান্ট অ্যাক্টিভেশনের মধ্যে উচ্চ তাপমাত্রায় শূন্যপদ তৈরি করা জড়িত, যা ইমপ্লান্ট করা আয়নগুলিকে ইন্টারস্টিশিয়াল অবস্থান থেকে প্রতিস্থাপন জালি অবস্থানে যেতে দেয়। ইমপ্লান্টেশন প্রক্রিয়ার সময় সৃষ্ট অ্যামরফাইজেশন এবং স্ফটিক ত্রুটিগুলি মেরামত করার জন্য ক্ষতি পুনরুদ্ধার অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ।

সারণি 1 কিছু সাধারণভাবে ব্যবহৃত ডোপ্যান্ট প্রজাতি এবং SiC এবং GaN ডিভাইস তৈরিতে তাদের আয়নকরণ শক্তির তালিকা দেয়।

যদিও SiC এবং GaN উভয় ক্ষেত্রেই এন-টাইপ ডোপিং অগভীর ডোপ্যান্টের সাথে তুলনামূলকভাবে সহজ, আয়ন ইমপ্লান্টেশনের মাধ্যমে পি-টাইপ ডোপিং তৈরির ক্ষেত্রে একটি মূল চ্যালেঞ্জ হল উপলব্ধ উপাদানগুলির উচ্চ আয়নকরণ শক্তি।

02

কিছু মূল ইমপ্লান্টেশন এবংঅ্যানিলিং বৈশিষ্ট্যGaN এর অন্তর্ভুক্ত:

SiC এর বিপরীতে, ঘরের তাপমাত্রার তুলনায় গরম ইমপ্লান্টেশন ব্যবহার করার কোন উল্লেখযোগ্য সুবিধা নেই।

GaN-এর জন্য, সাধারণত ব্যবহৃত n-টাইপ ডোপান্ট Si অ্যাম্বিপোলার হতে পারে, যা এন-টাইপ এবং/অথবা পি-টাইপ আচরণ প্রদর্শন করে তার পেশার সাইটের উপর নির্ভর করে। এটি GaN বৃদ্ধির অবস্থার উপর নির্ভর করে এবং আংশিক ক্ষতিপূরণের প্রভাব হতে পারে।

অপরিবর্তিত GaN-এ উচ্চ ব্যাকগ্রাউন্ড ইলেক্ট্রন ঘনত্বের কারণে GaN-এর P-ডোপিং আরও চ্যালেঞ্জিং, উপাদানটিকে পি-টাইপে রূপান্তর করতে উচ্চ মাত্রার ম্যাগনেসিয়াম (এমজি) পি-টাইপ ডোপান্ট প্রয়োজন। যাইহোক, উচ্চ মাত্রার কারণে উচ্চ মাত্রার ত্রুটি দেখা দেয়, যার ফলে বাহককে ক্যাপচার করা হয় এবং গভীর শক্তির স্তরে ক্ষতিপূরণ দেওয়া হয়, যার ফলে ডোপ্যান্ট অ্যাক্টিভেশন দুর্বল হয়।

বায়ুমণ্ডলীয় চাপে 840°C এর বেশি তাপমাত্রায় GaN পচে যায়, যার ফলে N ক্ষয় হয় এবং পৃষ্ঠে Ga ফোঁটা তৈরি হয়। দ্রুত থার্মাল অ্যানিলিং (আরটিএ) এবং প্রতিরক্ষামূলক স্তরগুলির বিভিন্ন রূপ যেমন SiO2 নিযুক্ত করা হয়েছে। অ্যানিলিং তাপমাত্রা সাধারণত SiC এর জন্য ব্যবহৃত তাপমাত্রার তুলনায় কম (<1500°C) হয়। উচ্চ-চাপ, মাল্টি-সাইকেল আরটিএ, মাইক্রোওয়েভ এবং লেজার অ্যানিলিং এর মতো বেশ কয়েকটি পদ্ধতির চেষ্টা করা হয়েছে। তবুও, p+ ইমপ্লান্টেশন পরিচিতি অর্জন করা একটি চ্যালেঞ্জ রয়ে গেছে।

03

উল্লম্ব Si এবং SiC পাওয়ার ডিভাইসে, প্রান্তের সমাপ্তির জন্য একটি সাধারণ পদ্ধতি হল আয়ন ইমপ্লান্টেশনের মাধ্যমে একটি পি-টাইপ ডোপিং রিং তৈরি করা।যদি নির্বাচনী ডোপিং অর্জন করা যায় তবে এটি উল্লম্ব GaN ডিভাইসগুলি গঠনের সুবিধা দেবে। ম্যাগনেসিয়াম (Mg) ডোপান্ট আয়ন ইমপ্লান্টেশন বিভিন্ন চ্যালেঞ্জের সম্মুখীন হয় এবং তাদের মধ্যে কয়েকটি নীচে তালিকাভুক্ত করা হয়।

1. উচ্চ আয়নকরণ সম্ভাবনা (সারণী 1 এ দেখানো হয়েছে)।

2. ইমপ্লান্টেশন প্রক্রিয়ার সময় উত্পন্ন ত্রুটিগুলি স্থায়ী ক্লাস্টার গঠনের দিকে নিয়ে যেতে পারে, যা নিষ্ক্রিয়করণের কারণ হতে পারে।

3. সক্রিয়করণের জন্য উচ্চ তাপমাত্রা (>1300°C) প্রয়োজন৷ এটি GaN এর পচন তাপমাত্রাকে অতিক্রম করে, বিশেষ পদ্ধতির প্রয়োজন হয়। একটি সফল উদাহরণ হল 1 জিপিএ-তে N2 চাপের সাথে অতি-উচ্চ চাপ অ্যানিলিং (UHPA) ব্যবহার। 1300-1480°C এ অ্যানিলিং 70% এর বেশি সক্রিয়তা অর্জন করে এবং পৃষ্ঠের বাহকের গতিশীলতা প্রদর্শন করে।

4. এই উচ্চ তাপমাত্রায়, ম্যাগনেসিয়ামের প্রসারণ ক্ষতিগ্রস্থ অঞ্চলে বিন্দু ত্রুটিগুলির সাথে মিথস্ক্রিয়া করে, যার ফলে গ্রেডেড জংশন হতে পারে। P-GaN ই-মোড HEMTs-এ Mg বিতরণ নিয়ন্ত্রণ একটি মূল চ্যালেঞ্জ, এমনকি MOCVD বা MBE বৃদ্ধি প্রক্রিয়া নিযুক্ত করার সময়ও।

চিত্র 1: Mg/N কো-ইমপ্লান্টেশনের মাধ্যমে pn জংশন ব্রেকডাউন ভোল্টেজ বৃদ্ধি

Mg এর সাথে নাইট্রোজেন (N) এর সহ-ইমপ্লান্টেশন Mg ডোপান্টের সক্রিয়তা উন্নত করতে এবং প্রসারণকে দমন করতে দেখানো হয়েছে।উন্নত অ্যাক্টিভেশনের জন্য দায়ী করা হয়েছে এন ইমপ্লান্টেশনের মাধ্যমে শূন্যস্থানের জমাট বাধার জন্য, যা 1200 ডিগ্রি সেলসিয়াসের উপরে অ্যানিলিং তাপমাত্রায় এই শূন্যপদগুলির পুনর্মিলনকে সহজতর করে। উপরন্তু, এন ইমপ্লান্টেশন দ্বারা উত্পন্ন শূন্যপদগুলি Mg এর বিস্তারকে সীমিত করে, যার ফলে খাড়া জংশন হয়। এই ধারণাটি একটি সম্পূর্ণ আয়ন ইমপ্লান্টেশন প্রক্রিয়ার মাধ্যমে উল্লম্ব প্ল্যানার GaN MOSFETs তৈরি করতে ব্যবহার করা হয়েছে। 1200V ডিভাইসের নির্দিষ্ট অন-রেজিস্ট্যান্স (RDSon) একটি চিত্তাকর্ষক 0.14 Ohms-mm2 এ পৌঁছেছে। যদি এই প্রক্রিয়াটি বড় আকারের উত্পাদনের জন্য ব্যবহার করা যায়, তবে এটি সাশ্রয়ী হতে পারে এবং Si এবং SiC প্ল্যানার উল্লম্ব শক্তি MOSFET তৈরিতে ব্যবহৃত সাধারণ প্রক্রিয়া প্রবাহ অনুসরণ করতে পারে। চিত্র 1 এ দেখানো হয়েছে, সহ-ইমপ্লান্টেশন পদ্ধতির ব্যবহার পিএন জংশন ব্রেকডাউনকে ত্বরান্বিত করে।

04

উল্লিখিত বিষয়গুলির কারণে, p-GaN ডোপিং সাধারণত p-GaN ই-মোড উচ্চ ইলেক্ট্রন গতিশীলতা ট্রানজিস্টর (HEMTs) এ রোপণের পরিবর্তে বেড়ে ওঠে। HEMTs-এ আয়ন ইমপ্লান্টেশনের একটি প্রয়োগ হল পার্শ্বীয় ডিভাইস বিচ্ছিন্নতা। হাইড্রোজেন (এইচ), এন, আয়রন (ফে), আর্গন (এআর), এবং অক্সিজেন (ও) এর মতো বিভিন্ন ইমপ্লান্ট প্রজাতির চেষ্টা করা হয়েছে। প্রক্রিয়াটি প্রধানত ক্ষতির সাথে সম্পর্কিত ফাঁদ গঠনের সাথে সম্পর্কিত। মেসা ইচ আইসোলেশন প্রক্রিয়ার তুলনায় এই পদ্ধতির সুবিধা হল ডিভাইস সমতলতা। চিত্র 2-1 অর্জিত বিচ্ছিন্নতা স্তর প্রতিরোধের এবং ইমপ্লান্টেশন পরে অ্যানিলিং তাপমাত্রার মধ্যে সম্পর্ক বর্ণনা করে। চিত্রে দেখানো হিসাবে, 107 ওহমস/বর্গ মিটারের বেশি প্রতিরোধ অর্জন করা যেতে পারে।

চিত্র 2: বিভিন্ন GaN বিচ্ছিন্নকরণ ইমপ্লান্টেশনের পরে বিচ্ছিন্নতা স্তর প্রতিরোধ এবং অ্যানিলিং তাপমাত্রার মধ্যে সম্পর্ক

যদিও সিলিকন (Si) ইমপ্লান্টেশন ব্যবহার করে GaN স্তরগুলিতে n+ ওহমিক পরিচিতি তৈরি করার বিষয়ে বেশ কয়েকটি গবেষণা পরিচালিত হয়েছে, উচ্চ অশুদ্ধতার ঘনত্ব এবং ফলস্বরূপ জালির ক্ষতির কারণে ব্যবহারিক বাস্তবায়ন চ্যালেঞ্জিং হতে পারে।Si ইমপ্লান্টেশন ব্যবহার করার একটি অনুপ্রেরণা হল স্বর্ণ (Au) ব্যবহার না করে Si CMOS সামঞ্জস্যপূর্ণ প্রক্রিয়া বা পরবর্তী পোস্ট-মেটাল অ্যালয় প্রক্রিয়ার মাধ্যমে কম-প্রতিরোধের পরিচিতি অর্জন করা।

05

HEMTs-এ, F-এর শক্তিশালী ইলেক্ট্রোনেগেটিভিটি ব্যবহার করে ডিভাইসের ব্রেকডাউন ভোল্টেজ (BV) বাড়ানোর জন্য লো-ডোজ ফ্লোরিন (F) ইমপ্লান্টেশন ব্যবহার করা হয়েছে। 2-DEG ইলেকট্রন গ্যাসের পিছনে একটি নেতিবাচক চার্জযুক্ত অঞ্চলের গঠন উচ্চ-ক্ষেত্রের অঞ্চলে ইলেকট্রনগুলির ইনজেকশনকে দমন করে।

চিত্র 3: (ক) ফরোয়ার্ড বৈশিষ্ট্য এবং (খ) উল্লম্ব GaN SBD এর বিপরীত IV এফ ইমপ্লান্টেশনের পরে উন্নতি দেখাচ্ছে

GaN-এ আয়ন ইমপ্লান্টেশনের আরেকটি আকর্ষণীয় প্রয়োগ হল উল্লম্ব স্কোটকি ব্যারিয়ার ডায়োড (SBDs) এ F ইমপ্লান্টেশনের ব্যবহার। এখানে, উচ্চ-প্রতিরোধের প্রান্তের সমাপ্তি অঞ্চল তৈরি করতে উপরের অ্যানোড যোগাযোগের পাশের পৃষ্ঠে F ইমপ্লান্টেশন করা হয়। চিত্র 3-তে দেখানো হয়েছে, বিপরীত কারেন্ট পাঁচটি ক্রম মাত্রার দ্বারা হ্রাস করা হয়েছে, যখন BV বৃদ্ধি করা হয়েছে।**