Силициевият карбид (SiC) е полупроводников материал, който превъзхожда полупроводниците на основата на чист силиций в много приложения. SiC устройствата се използват най-вече в преобразуватели, моторни задвижвания и зарядни устройства за батерии и предлагат предимства като висока енергийна плътност и намалени загуби на енергия при високи честоти дори при високо напрежение. Въпреки че тези свойства и относително ниската му цена правят SiC обещаващ конкурент в различни сегменти на пазара на полупроводници, неговата лоша дългосрочна надеждност е непреодолима бариера от последните две десетилетия.
Един от най-належащите проблеми с 4H-SiC – вид SiC с превъзходни физически свойства – е разграждането на дипола. Това явление се причинява от разширяването на грешките при наслагване в 4H-SiC кристали. Казано по-просто, малките смущения в кристалната структура прерастват с времето в големи дефекти, наречени „единични дефекти на подреждане на Shockley“, които постепенно влошават производителността и причиняват повреда на устройството. Въпреки че има някои начини за смекчаване на този проблем, това прави устройството по-скъпо за производство.
За щастие екип от изследователи от Япония, ръководен от асистент Масаши Като от Технологичния институт в Нагоя, намери практическо решение на този проблем. В тяхното проучване, достъпно онлайн на 5 ноември 2022 г. и публикувано в списание Scientific Reports на 5 ноември 2022 г., те представят техника за потискане на грешки, наречена „протонна имплантация“, която може да предотврати разграждането на дипола в 4H-SiC полупроводникови пластини, когато се прилага преди процес на производство на устройството. Д-р Като обяснява мотивацията зад това проучване: “Дори в наскоро разработените супраксиални SiC пластини, диполното разпадане продължава в субстратните слоеве. Искахме да помогнем на индустрията да преодолее това предизвикателство и да намери начин да разработи надеждни SiC устройства и, следователно, реши да проучи този метод, за да елиминира биполярното разграждане”. Доцент Шунта Харада от университета в Нагоя и Хитоши Сакан, академичен изследовател от SHI-ATEX, и двамата в Япония, бяха част от това проучване.
Протонната имплантация включва “инжектиране” на водородни йони в субстрат с помощта на ускорител на частици. Идеята е да се предотврати образуването на единични дефекти на подреждане на Шокли чрез стабилизиране на частични дислокации в кристала, което е един ефект от въвеждането на протонен примес. Самото протонно имплантиране обаче може да повреди 4H-SiC субстрата, поради използването на високотемпературно отгряване като допълнителна стъпка на обработка за възстановяване на тази повреда.
Изследователският екип искаше да проучи дали протонната имплантация би била ефективна, когато се прилага преди процеса на производство на устройството, който обикновено включва етап на отгряване при висока температура. Съответно, те приложиха протонна имплантация в различни дози към 4H-SiC пластини и ги използваха за производство на PiN диоди. След това те анализираха характеристиките ток-напрежение на тези диоди и ги сравниха с тези на нормален диод без протонна имплантация. Накрая те направиха фотоелектографии на диодите, за да проверят дали са се образували грешки при подреждане.
Като цяло резултатите бяха много обещаващи, тъй като диодите, които бяха подложени на протонна имплантация, се представиха също толкова добре, колкото нормалните диоди, но без признаци на диполно влошаване. Влошаването на характеристиките на токовото напрежение на диодите, причинено от имплантиране на протон при по-ниски дози, не е значително. Въпреки това, потискането на разширяването на единични грешки в подреждането на Shockley беше значително.
Изследователите се надяват, че тези резултати ще помогнат за постигането на по-надеждни и рентабилни SiC устройства, които могат да намалят консумацията на енергия във влаковете и превозните средства. „Въпреки че трябва да се вземат предвид допълнителните производствени разходи за имплантиране на протони, те ще бъдат подобни на тези, направени при имплантирането на алуминиеви йони, което в момента е ключова стъпка в производството на 4H-SiC енергийни устройства.“ спекулира д-р Катон. “Освен това, с по-нататъшно оптимизиране на условията за имплантиране, има потенциал за прилагане на този метод за производство на други видове устройства, базирани на 4H-SiC.”
Надяваме се, че тези резултати ще помогнат за отключването на пълния потенциал на SiC като полупроводников материал за захранване на електроника от следващо поколение.
Източник на историята:
Материали Представяне на Технологичен институт в Нагоя. Забележка: Съдържанието може да се променя по стил и дължина.