양성자는 실리콘 카바이드 전자 장치의 오랜 문제를 해결합니다.

[아름이]

양성자는 실리콘 카바이드 전자 장치의 오랜 문제를 해결합니다.
날짜:
2022년 11월 29일
원천:
나고야 공업 대학
요약:
실리콘 카바이드(SiC)는 전력 전자 장치용으로 유망한 반도체 재료이지만 양극 열화로 인해 수명이 심각하게 제한됩니다. 이 오랜 문제를 비용 효율적인 방식으로 해결하기 위해 연구원들은 양극 열화의 근원에 있는 적층 결함의 확장을 방지할 수 있는 양성자 주입 기반 억제 방법을 개발했습니다. 이 개발은 안정적이고 경제적이며 전력 효율적인 SiC 반도체 장치를 위한 길을 열 수 있습니다.

실리콘 카바이드(SiC)는 여러 응용 분야에서 순수 실리콘 기반 반도체보다 뛰어난 성능을 발휘하는 반도체 소재입니다. 전력 인버터, 모터 드라이브 및 배터리 충전기에 주로 사용되는 SiC 장치는 높은 전력 밀도와 높은 전압에서도 높은 주파수에서 전력 손실 감소와 같은 이점을 제공합니다. 이러한 특성과 상대적으로 낮은 비용으로 인해 SiC는 반도체 시장의 다양한 부문에서 유망한 경쟁자가 되었지만, 지난 20년 동안 SiC의 열악한 장기 신뢰성은 극복할 수 없는 장벽이었습니다.

물리적 특성이 우수한 SiC 유형인 4H-SiC의 가장 시급한 문제 중 하나는 양극 열화입니다. 이 현상은 4H-SiC 결정의 적층 결함이 확장되어 발생합니다. 간단히 말해서, 결정 구조의 작은 전위는 시간이 지남에 따라 "단일 Shockley 적층 결함"이라고 하는 큰 결함으로 성장하여 점진적으로 성능을 저하시키고 장치의 고장을 유발합니다. 이 문제를 완화하기 위한 몇 가지 방법이 존재하지만 장치 제조 공정을 더 비싸게 만듭니다.

다행스럽게도 나고야 공과대학의 Masashi Kato 부교수가 이끄는 일본 연구팀이 이 문제에 대한 실행 가능한 해결책을 찾았습니다. 2022년 11월 5일에 온라인으로 제공되고 2022년 11월 5일 Scientific Reports 저널에 발표된 연구에서 그들은 장치 이전에 적용될 때 4H-SiC 반도체 웨이퍼의 양극성 열화를 방지할 수 있는 "양성자 주입"이라는 오류 억제 기술을 제시합니다. 제작 과정. Kato 박사는 이 연구의 동기를 설명하면서 "최근에 개발된 SiC 에피택셜 웨이퍼에서도 기판 층에서 양극 열화가 지속됩니다. 우리는 업계가 이 문제를 탐색하고 신뢰할 수 있는 SiC 장치를 개발할 수 있는 방법을 찾도록 돕고 싶었습니다. , 그러므로,

양성자 주입은 입자 가속기를 사용하여 기판에 수소 이온을 "주입"하는 것을 포함합니다. 아이디어는 양성자 불순물 도입의 영향 중 하나인 결정의 부분 전위를 고정하여 단일 Shockley 적층 결함의 형성을 방지하는 것입니다. 그러나 양성자 주입 자체는 4H-SiC 기판을 손상시킬 수 있으며, 이로 인해 이러한 손상을 복구하기 위한 추가 처리 단계로 고온 어닐링이 사용됩니다.

연구팀은 일반적으로 고온 어닐링 단계를 포함하는 장치 제조 공정 전에 적용할 때 양성자 주입이 효과적인지 확인하기를 원했습니다. 따라서 그들은 4H-SiC 웨이퍼에 서로 다른 양의 양성자 주입을 적용하고 PiN 다이오드를 제조하는 데 사용했습니다. 그런 다음 이 다이오드의 전류-전압 특성을 분석하고 양성자 주입이 없는 일반 다이오드의 특성과 비교했습니다. 마지막으로 다이오드의 전계 발광 이미지를 캡처하여 적층 결함이 형성되었는지 여부를 확인했습니다.

전반적으로 결과는 양성자 주입을 거친 다이오드가 일반 다이오드와 마찬가지로 수행되었지만 양극성 열화의 징후가 없었기 때문에 매우 유망했습니다. 낮은 선량에서 양성자 주입으로 인한 다이오드의 전류-전압 특성 열화는 크지 않았습니다. 그러나 단일 Shockley 적층 결함의 확장 억제는 상당했습니다.

연구원들은 이러한 발견이 기차와 차량의 전력 소비를 줄일 수 있는 보다 안정적이고 비용 효율적인 SiC 장치를 실현하는 데 도움이 되기를 희망합니다. "양성자 주입의 추가 제조 비용을 고려해야 하지만, 이는 현재 4H-SiC 전력 장치 제조의 필수 단계인 알루미늄 이온 주입에서 발생하는 비용과 유사할 것입니다." Kato 박사는 추측합니다. "게다가 주입 조건을 더욱 최적화하면 4H-SiC를 기반으로 하는 다른 종류의 장치 제조에 이 방법을 적용할 가능성이 있습니다."

바라건대, 이러한 발견이 차세대 전자 장치에 전원을 공급하기 위한 반도체 재료로서 SiC의 잠재력을 최대한 활용하는 데 도움이 되기를 바랍니다.

출처 : https://www.sciencedaily.com/