SiC اور GaN پاور ڈیوائسز میں آئن امپلانٹیشن ٹیکنالوجی کے چیلنجز

وائڈ بینڈ گیپ (WBG) سیمی کنڈکٹرز جیسےسلیکون کاربائیڈ(SiC) اورگیلیم نائٹرائڈ(GaN) سے بجلی کے الیکٹرانک آلات میں تیزی سے اہم کردار ادا کرنے کی توقع ہے۔ وہ روایتی سلکان (Si) آلات پر کئی فوائد پیش کرتے ہیں، بشمول اعلی کارکردگی، طاقت کی کثافت، اور سوئچنگ فریکوئنسی۔آئن امپلانٹیشنSi آلات میں سلیکٹیو ڈوپنگ حاصل کرنے کا بنیادی طریقہ ہے۔ تاہم، وسیع بینڈ گیپ ڈیوائسز پر اسے لاگو کرتے وقت کچھ چیلنجز درپیش ہیں۔ اس مضمون میں، ہم ان میں سے کچھ چیلنجز پر توجہ مرکوز کریں گے اور GaN پاور ڈیوائسز میں ان کے ممکنہ ایپلی کیشنز کا خلاصہ کریں گے۔

01

کے عملی استعمال کا تعین کئی عوامل کرتے ہیں۔ڈوپینٹ موادسیمی کنڈکٹر ڈیوائس مینوفیکچرنگ میں:

مقبوضہ جالی کی جگہوں پر کم آئنائزیشن توانائی۔ Si میں ionizable اتلی ڈونرز (n-type doping کے لیے) اور قبول کنندگان (p-type doping کے لیے) عناصر ہیں۔ بینڈ گیپ کے اندر گہری توانائی کی سطح کے نتیجے میں خراب آئنائزیشن ہوتی ہے، خاص طور پر کمرے کے درجہ حرارت پر، جس کی وجہ سے دی گئی خوراک کے لیے کم چالکتا ہوتا ہے۔ تجارتی آئن امپلانٹرز میں آئنائز ایبل اور انجیکشن ایبل ماخذ مواد۔ ٹھوس اور گیس کے ماخذ مواد کے مرکبات استعمال کیے جاسکتے ہیں، اور ان کے عملی استعمال کا انحصار درجہ حرارت کے استحکام، حفاظت، آئن پیدا کرنے کی کارکردگی، بڑے پیمانے پر علیحدگی کے لیے منفرد آئن پیدا کرنے کی صلاحیت، اور مطلوبہ توانائی امپلانٹیشن گہرائی کو حاصل کرنے پر ہے۔

تجارتی آئن امپلانٹرز میں ionizable اور انجیکشن کے قابل ماخذ مواد۔ ٹھوس اور گیس کے ماخذ مواد کے مرکبات استعمال کیے جاسکتے ہیں، اور ان کے عملی استعمال کا انحصار درجہ حرارت کے استحکام، حفاظت، آئن پیدا کرنے کی کارکردگی، بڑے پیمانے پر علیحدگی کے لیے منفرد آئن پیدا کرنے کی صلاحیت، اور مطلوبہ توانائی امپلانٹیشن گہرائی کو حاصل کرنے پر ہے۔

جدول 1: عام ڈوپینٹ پرجاتیوں جو SiC اور GaN پاور ڈیوائسز میں استعمال ہوتی ہیں۔

پرتیاروپت مواد کے اندر پھیلاؤ کی شرح۔ امپلانٹ کے بعد کی اینیلنگ کی عام حالتوں میں اعلی بازی کی شرحیں ڈیوائس کے ناپسندیدہ علاقوں میں بے قابو جنکشن اور ڈوپینٹ کے پھیلاؤ کا باعث بن سکتی ہیں، جس کے نتیجے میں ڈیوائس کی کارکردگی خراب ہو جاتی ہے۔

ایکٹیویشن اور نقصان کی بحالی۔ ڈوپینٹ ایکٹیویشن میں اعلی درجہ حرارت پر خالی جگہیں پیدا کرنا شامل ہوتا ہے، جس سے امپلانٹڈ آئنوں کو انٹرسٹیشل پوزیشنز سے متبادل جالی پوزیشنوں پر منتقل ہونے کی اجازت ملتی ہے۔ امپلانٹیشن کے عمل کے دوران پیدا ہونے والے ایمورفائزیشن اور کرسٹل نقائص کی مرمت کے لیے نقصان کی وصولی بہت ضروری ہے۔

جدول 1 میں کچھ عام طور پر استعمال ہونے والی ڈوپینٹ پرجاتیوں اور SiC اور GaN ڈیوائس مینوفیکچرنگ میں ان کی آئنائزیشن توانائیوں کی فہرست دی گئی ہے۔

اگرچہ SiC اور GaN دونوں میں n قسم کی ڈوپنگ اتلی ڈوپینٹس کے ساتھ نسبتاً سیدھی ہے، لیکن آئن امپلانٹیشن کے ذریعے پی ٹائپ ڈوپنگ بنانے میں ایک اہم چیلنج دستیاب عناصر کی اعلیٰ آئنائزیشن توانائی ہے۔

02

کچھ اہم امپلانٹیشن اوراینیلنگ کی خصوصیاتGaN میں شامل ہیں:

SiC کے برعکس، کمرے کے درجہ حرارت کے مقابلے گرم امپلانٹیشن استعمال کرنے میں کوئی خاص فائدہ نہیں ہے۔

GaN کے لیے، عام طور پر استعمال ہونے والا n-type dopant Si ambipolar ہو سکتا ہے، جو n-type اور/یا p-type کے رویے کی نمائش کرتا ہے جو اس کے قبضے کی جگہ پر منحصر ہوتا ہے۔ یہ GaN ترقی کے حالات پر منحصر ہو سکتا ہے اور جزوی معاوضے کے اثرات کا باعث بن سکتا ہے۔

غیر ڈوپڈ GaN میں اعلی پس منظر کے الیکٹران کی حراستی کی وجہ سے GaN کی P-ڈوپنگ زیادہ چیلنجنگ ہے۔مواد کو پی قسم میں تبدیل کرنے کے لیے میگنیشیم (Mg) p-type dopant کی اعلی سطح کی ضرورت ہوتی ہے۔ تاہم، زیادہ خوراک کے نتیجے میں اعلیٰ سطح کے نقائص پیدا ہوتے ہیں، جس کے نتیجے میں توانائی کی گہری سطحوں پر کیریئر کی گرفت اور معاوضہ ہوتا ہے، جس کے نتیجے میں ڈوپینٹ ایکٹیویشن خراب ہوتا ہے۔

GaN ماحولیاتی دباؤ کے تحت 840 ° C سے زیادہ درجہ حرارت پر گل جاتا ہے، جس سے N کا نقصان ہوتا ہے اور سطح پر Ga بوندوں کی تشکیل ہوتی ہے۔ تیز تھرمل اینیلنگ (RTA) کی مختلف شکلیں اور حفاظتی تہوں جیسے SiO2 کا استعمال کیا گیا ہے۔ اینیلنگ کا درجہ حرارت عام طور پر کم ہوتا ہے (<1500°C) ان کے مقابلے میں جو SiC کے لیے استعمال ہوتا ہے۔ ہائی پریشر، ملٹی سائیکل RTA، مائکروویو، اور لیزر اینیلنگ جیسے کئی طریقے آزمائے گئے ہیں۔ اس کے باوجود، p+ امپلانٹیشن رابطوں کو حاصل کرنا ایک چیلنج ہے۔

03

عمودی Si اور SiC پاور ڈیوائسز میں، کنارے کے خاتمے کے لیے ایک عام نقطہ نظر یہ ہے کہ آئن امپلانٹیشن کے ذریعے پی قسم کی ڈوپنگ رِنگ بنائی جائے۔اگر منتخب ڈوپنگ حاصل کی جاسکتی ہے، تو یہ عمودی GaN آلات کی تشکیل میں بھی سہولت فراہم کرے گی۔ میگنیشیم (ایم جی) ڈوپینٹ آئن امپلانٹیشن کو کئی چیلنجوں کا سامنا ہے، اور ان میں سے کچھ ذیل میں درج ہیں۔

1. اعلی آئنائزیشن کی صلاحیت (جیسا کہ ٹیبل 1 میں دکھایا گیا ہے)۔

2. امپلانٹیشن کے عمل کے دوران پیدا ہونے والے نقائص مستقل کلسٹرز کی تشکیل کا باعث بن سکتے ہیں، جو غیر فعال ہونے کا سبب بن سکتے ہیں۔

3. چالو کرنے کے لیے اعلی درجہ حرارت (>1300°C) درکار ہے۔ یہ GaN کے سڑنے والے درجہ حرارت سے زیادہ ہے، خاص طریقوں کی ضرورت ہے۔ ایک کامیاب مثال 1 GPa پر N2 پریشر کے ساتھ الٹرا ہائی پریشر اینیلنگ (UHPA) کا استعمال ہے۔ 1300-1480 °C پر اینیلنگ 70% سے زیادہ ایکٹیویشن حاصل کرتی ہے اور سطحی کیریئر کی اچھی نقل و حرکت کو ظاہر کرتی ہے۔

4. ان اعلی درجہ حرارت پر، میگنیشیم کا پھیلاؤ تباہ شدہ علاقوں میں نقطہ نقائص کے ساتھ تعامل کرتا ہے، جس کے نتیجے میں درجہ بندی کی جا سکتی ہے۔ P-GaN e-mode HEMTs میں Mg کی تقسیم کا کنٹرول ایک کلیدی چیلنج ہے، یہاں تک کہ جب MOCVD یا MBE ترقی کے عمل کو استعمال کیا جائے۔

شکل 1: Mg/N کو-ایمپلانٹیشن کے ذریعے pn جنکشن بریک ڈاؤن وولٹیج میں اضافہ

Mg کے ساتھ نائٹروجن (N) کی مشترکہ امپلانٹیشن Mg ڈوپینٹس کی فعالیت کو بہتر بنانے اور بازی کو دبانے کے لیے دکھایا گیا ہے۔بہتر ایکٹیویشن N امپلانٹیشن کے ذریعہ خالی جگہوں کے جمع ہونے کی روک تھام سے منسوب ہے، جو 1200 ° C سے اوپر کے اینیلنگ درجہ حرارت پر ان خالی آسامیوں کو دوبارہ ملانے میں سہولت فراہم کرتا ہے۔ مزید برآں، N امپلانٹیشن سے پیدا ہونے والی خالی جگہیں Mg کے پھیلاؤ کو محدود کرتی ہیں، جس کے نتیجے میں تیز جنکشن بنتے ہیں۔ اس تصور کو مکمل آئن امپلانٹیشن کے عمل کے ذریعے عمودی پلانر GaN MOSFETs بنانے کے لیے استعمال کیا گیا ہے۔ 1200V ڈیوائس کی مخصوص آن ریزسٹنس (RDSon) متاثر کن 0.14 Ohms-mm2 تک پہنچ گئی۔ اگر اس عمل کو بڑے پیمانے پر مینوفیکچرنگ کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے، تو یہ سرمایہ کاری مؤثر ہو سکتا ہے اور Si اور SiC پلانر عمودی طاقت MOSFET فیبریکیشن میں استعمال ہونے والے عام عمل کے بہاؤ کی پیروی کر سکتا ہے۔ جیسا کہ شکل 1 میں دکھایا گیا ہے، شریک امپلانٹیشن کے طریقوں کا استعمال pn جنکشن بریک ڈاؤن کو تیز کرتا ہے۔

04

مذکورہ بالا مسائل کی وجہ سے، p-GaN ڈوپنگ عام طور پر p-GaN ای موڈ ہائی الیکٹران موبلٹی ٹرانزسٹرز (HEMTs) میں لگانے کے بجائے اگائی جاتی ہے۔ HEMTs میں آئن امپلانٹیشن کا ایک اطلاق لیٹرل ڈیوائس آئسولیشن ہے۔ مختلف امپلانٹ پرجاتیوں، جیسے ہائیڈروجن (H)، N، آئرن (Fe)، argon (Ar)، اور آکسیجن (O) کی کوشش کی گئی ہے۔ میکانزم بنیادی طور پر نقصان سے منسلک ٹریپ کی تشکیل سے متعلق ہے. میسا ایچ آئیسولیشن کے عمل کے مقابلے میں اس طریقہ کار کا فائدہ آلہ کی چپٹا پن ہے۔ شکل 2-1 حاصل شدہ تنہائی پرت کی مزاحمت اور امپلانٹیشن کے بعد اینیلنگ درجہ حرارت کے درمیان تعلق کو بیان کرتی ہے۔ جیسا کہ تصویر میں دکھایا گیا ہے، 107 Ohms/sq سے زیادہ مزاحمت حاصل کی جا سکتی ہے۔

شکل 2: الگ تھلگ پرت کی مزاحمت اور مختلف GaN الگ تھلگ امپلانٹیشن کے بعد اینیلنگ درجہ حرارت کے درمیان تعلق

اگرچہ سلیکون (Si) امپلانٹیشن کا استعمال کرتے ہوئے GaN تہوں میں n+ Ohmic رابطے بنانے کے بارے میں متعدد مطالعات کی گئی ہیں، لیکن زیادہ ناپاکی کے ارتکاز اور نتیجے میں جالیوں کو پہنچنے والے نقصان کی وجہ سے عملی نفاذ مشکل ہو سکتا ہے۔سی امپلانٹیشن کو استعمال کرنے کا ایک محرک Si CMOS مطابقت پذیر عمل یا بعد از دھاتی مرکب کے عمل کے ذریعے سونے (Au) کے استعمال کے بغیر کم مزاحمتی رابطوں کو حاصل کرنا ہے۔

05

HEMTs میں، کم خوراک فلورین (F) امپلانٹیشن کو F کی مضبوط برقی منفییت کا فائدہ اٹھا کر آلات کے بریک ڈاؤن وولٹیج (BV) کو بڑھانے کے لیے استعمال کیا گیا ہے۔ 2-DEG الیکٹران گیس کے پچھلے حصے پر منفی چارج شدہ خطے کی تشکیل ہائی فیلڈ علاقوں میں الیکٹرانوں کے انجیکشن کو دبا دیتی ہے۔

شکل 3: (a) آگے کی خصوصیات اور (b) عمودی GaN SBD کا الٹا IV F امپلانٹیشن کے بعد بہتری دکھا رہا ہے۔

GaN میں آئن امپلانٹیشن کا ایک اور دلچسپ اطلاق عمودی Schottky Barrier Diodes (SBDs) میں F امپلانٹیشن کا استعمال ہے۔ یہاں، F امپلانٹیشن اوپری اینوڈ کانٹیکٹ کے ساتھ والی سطح پر کی جاتی ہے تاکہ ایک ہائی ریزسٹنس ایج ٹرمینیشن ریجن بنایا جا سکے۔ جیسا کہ شکل 3 میں دکھایا گیا ہے، معکوس کرنٹ کو شدت کے پانچ آرڈرز سے کم کیا جاتا ہے، جبکہ BV بڑھایا جاتا ہے۔**