Karbid krzemowy (SiC), jako reprezentatywny materiał półprzewodnikowy o szerokim zakresie pasmowym, stał się kamieniem węgielnym nowej generacji elektroniki mocy ze względu na wysoką wytrzymałość pola rozkładu,doskonała przewodność cieplna, i zdolność do pracy w ekstremalnych temperaturach i napięciach.
Wśród różnych procesów stosowanych w celu dostosowania właściwości elektrycznychSiC, doping dyfuzyjny jest jedną z najwcześniejszych i najbardziej podstawowych technik.Dyfuzja nadal odgrywa znaczącą rolę w określonych strukturach urządzeń SiC i kierunkach badań.

Niniejszy artykuł zawiera systematyczny i rygorystyczny przegląd zasad, cech, zastosowań i obecnego stanu procesów dyfuzji w technologii SiC.

1Podstawowe zastosowania dyfuzji w produkcji urządzeń SiC

Podczas gdy implantacja jonów i doping in situ epitaksyalny są głównymi metodami dopingu w nowoczesnej produkcji SiC, dyfuzja nadal służy kilku kluczowym celom.

1.1 Tworzenie struktur połączeń w urządzeniach zasilania

Difuzja jest stosowana do wprowadzania dopantów typu p lub typu n do substratów SiC w celu utworzenia istotnych połączeń:

• Formowanie skrzyżowania PNw diodach, MOSFETach i bipolarnych strukturach.

• Konstrukcje końcowe krawędzi, takie jak rozszerzenie końcówki połączenia (JTE) i pierścienie ograniczające pole (FLR), zaprojektowane w celu stabilizacji rozkładu pola elektrycznego i zwiększenia napięcia awaryjnego.

• Tworzenie silnie dopingowanych obszarów kontaktu ohmowegow celu zmniejszenia oporu kontaktowego między elektrodami metalowymi a półprzewodnikiem.

Funkcje te mają zasadnicze znaczenie dla zapewnienia wysokiej wydajności pracy urządzeń SiC o wysokim napięciu.

1.2 Elektronika wysokotemperaturowa i wysokiej częstotliwości

Ze względu na swoją zdolność do utrzymania stabilności krystalicznej w temperaturach przekraczających 600 °C, SiC jest stosowany w elektronikach lotniczych, czujnikach do wiercenia w głębokich studniach i urządzeniach o wysokiej częstotliwości, takich jak MESFET.

Doping dyfuzyjny wspiera:

• kontrolowana regulacja przewodności kanału,

• Optymalizacja profili stężenia nośnika,

• Poprawa wskaźników wydajności wysokiej częstotliwości.

1.3 Urządzenia optyczne i fotoelektroniczne

Niektóre dopanty wprowadzane poprzez dyfuzję, takie jak Al i N, mogą tworzyć ośrodki luminescencyjne lub regulować właściwości optyczne wchłaniania, umożliwiając zastosowanie w:

• LED UV

• Detektory fotowoltaiczne

• Urządzenia wrażliwe na promieniowanie

2Charakterystyczne cechy dyfuzji SiC w porównaniu z krzemowym

Zachowanie dyfuzyjne w SiC znacznie różni się od zachowania w krzemu ze względu na silne wiązania kowalentne i sztywność kryształową.

2.1 Niezwykle wysoka temperatura obróbki

Typowe temperatury dyfuzji:

• Si:800-1200 °C

• SiC: 1600 ∼ 2000 °C

Wiązanie SiC posiada znacznie wyższą energię wiązania niż wiązanie SiSi, co wymaga podwyższonych temperatur do aktywacji ruchu atomowego.Wymaga to specjalistycznych konstrukcji pieców i materiałów ogniotrwałych, zdolnych wytrzymać długotrwałe narażenie na ekstremalne temperatury..

2.2 Niska dyfuzyjność dopantu

Atomy dopantów wykazują niezwykle powolne tempo dyfuzji w SiC ze względu na ograniczoną migrację pustej pozycji i silną integralność siatki.

• Głębokość dyfuzji jest płytka,

• Czasy przetwarzania są długie,

• Proces ten jest bardzo wrażliwy na wahania temperatury.

2.3 Wyzwania związane z maskowaniem i tworzeniem wzorów

Tradycyjne maski SiO2 rozkładają się w wysokich temperaturach i nie mogą zapewnić niezawodnego blokowania dopantu.

• maski grafitowe,

• folie metalowe,

• Specjalne powłoki odporne na wysokie temperatury.

2.4 Niska skuteczność aktywacji dopantów

Nawet po dyfuzji dopanty pozostają w miejscach międzystanowych i muszą zostać aktywowane poprzez kolejne wygrzewanie w wysokiej temperaturze.w wyniku:

• zmniejszone stężenie wolnych nośników,

• Większa zmienność

• Większa zależność od gęstości wad.

3Typowe gatunki dopantów i ich funkcje

Wybór dopantu zależy od pożądanych właściwości elektrycznych, zachowania dyfuzyjnego i wymagań struktury urządzenia.

4Wyzwania inżynieryjne dyfuzji SiC

Pomimo swojej użyteczności, dyfuzja w SiC stwarza kilka znaczących wyzwań:

4.1 Kontrola procesów i integralność kryształu

Bardzo wysokie temperatury mogą powodować uszkodzenie siatki lub wyrost powierzchni.

• Profile temperatury,

• gradienty termiczne,

• Czystość atmosfery

jest wymagane w celu utrzymania jakości materiału.

4.2 Ograniczona zdolność do tworzenia drobnych wzorów

Ze względu na niską dyfuzyjność, uzyskanie zlokalizowanych, bardzo precyzyjnych profili dopingowych – zwykle wykonywanych w krzemowych CMOS – jest trudne w SiC.Ograniczenie to ogranicza rozpowszechnianie do konkretnych architektur urządzeń, a nie do produkcji ogólnego przeznaczenia..

4.3 Wysokie koszty wyposażenia i eksploatacji

Długotrwałe przetwarzanie w wysokiej temperaturze prowadzi do:

• większe zużycie energii,

• zwiększone zużycie sprzętu,

• Wyższe koszty produkcji w porównaniu z dyfuzją krzemu.

5Obecny stan i przyszłe trendy technologii dyfuzji SiC

5.1 Przemysłowe przyjęcie

W produkcji seryjnej,implantacja jonowa w połączeniu z wygrzewaniem w wysokiej temperaturzeStanowi on dominującą metodę dopingu ze względu na swoją precyzję i skalowalność.
Jednakże dyfuzja pozostaje istotna w:

• Urządzenia głębokiego połączenia,

• Niektóre struktury dwubiegunowe,

• Eksperymentalne elementy wysokonapięciowe.

5.2 Kierunki badań

Obecne badania i rozwój koncentrują się na przezwyciężaniu ograniczeń w zakresie dyfuzji poprzez:

• Dyfuzja niskotemperaturowa za pomocą lasera lub plazmy,

• Zwiększone techniki aktywacji dopantu,

• Modyfikacja powierzchni w celu zwiększenia koncentracji wolnych miejsc,

• Procesy synergistyczne łączące dyfuzję z dopingiem in situ epitaksyalnym.

Celem tych zmian jest poprawa efektywności włączenia dopantu przy jednoczesnym ograniczeniu szkód i zmniejszeniu zapotrzebowania na ciepło.

6Wniosek

Doping dyfuzyjny w SiC stanowi złożoną, ale niezbędną technikę w produkcji półprzewodników mocy.dyfuzja pozostaje ważna w określonych konstrukcjach urządzeń wysokonapięciowych i specjalistycznychJego wyjątkowe wyzwania - wysoka temperatura, ograniczona dyfuzyjność i trudności z aktywacją - odzwierciedlają wewnętrzne właściwości fizyczne SiC jako materiału o wysokiej wytrzymałości.

W miarę jak urządzenia SiC postępują w kierunku większej gęstości mocy, lepszej niezawodności i bardziej wymagających warunków pracy,procesy dyfuzji pozostaną cennym narzędziem zarówno w środowisku przemysłowym, jak i badawczym, uzupełniające inne metody dopingu i przyczyniające się do ciągłej ewolucji technologii półprzewodników SiC.