Карбид кремния (SiC), как представительный полупроводниковый материал широкой полосы пропускания, стал краеугольным камнем силовой электроники следующего поколения из-за его высокой прочности поля разрушения,отличная теплопроводность, и способность работать при экстремальных температурах и напряжениях.
Среди различных процессов, используемых для адаптации электрических свойствSiC, диффузионный допинг является одним из самых ранних и фундаментальных методов.Диффузия по-прежнему играет значимую роль в конкретных структурах устройств SiC и направлениях исследований.

В этой статье представлен систематический и тщательный обзор принципов, характеристик, применений и текущего состояния процессов диффузии в технологии SiC.

1Основные применения диффузии в производстве SiC устройств

В то время как ионная имплантация и эпитаксиальный ин-ситу допинг являются основными методами допинга в современном производстве SiC, диффузия продолжает служить нескольким ключевым целям.

1.1 Формирование соединений в силовых устройствах

Диффузия используется для введения допантов p-типа или n-типа в SiC-субстраты для создания важных соединений:

• Формирование стыковки PNв диодах, MOSFET и биполярных структурах.

• Структуры концовки края, такие как расширение окончания соединения (JTE) и кольца ограничения поля (FLR), предназначенные для стабилизации распределения электрического поля и увеличения разрывного напряжения.

• Формирование сильно допированных охмических контактных областейдля уменьшения сопротивления контакта между металлическими электродами и полупроводником.

Эти функции имеют основополагающее значение для обеспечения высокоэффективной работы высоковольтного SiC-устройства.

1.2 Высокотемпературная и высокочастотная электроника

Благодаря своей способности сохранять кристаллическую стабильность при температурах более 600 °C, SiC используется в аэрокосмической электронике, глубоких датчиках бурения скважин и высокочастотных устройствах, таких как MESFET.

Диффузионный допинг поддерживает:

• Контролируемое регулирование проводимости канала,

• Оптимизация профилей концентрации носителей,

• Улучшение показателей высокочастотных показателей.

1.3 Оптические и фотоэлектронные устройства

Некоторые допанты, вводимые путем диффузии, такие как Al и N, могут образовывать люминесцентные центры или регулировать свойства оптического поглощения, что позволяет применять их в:

• Ультрафиолетовые светодиоды

• Ультрафиолетовые фотодетекторы

• Устройства, чувствительные к радиации

2Отличительные характеристики диффузии SiC по сравнению с Кремниевым

Диффузионное поведение в SiC резко отличается от поведения в кремнии из-за его сильной ковалентной связи и кристаллической жесткости.

2.1 Очень высокая температура обработки

Типичная температура диффузии:

• Си:800-1200 °C

• Си-Си: 1600 ≈ 2000 °C

Связь Si ∆ C обладает значительно более высокой энергией связывания, чем связь Si ∆ Si, что требует повышенной температуры для активации атомного движения.Это требует специальных конструкций печей и огнеупорных материалов, способных выдерживать длительное воздействие экстремальных температур..

2.2 Низкая диффузивность допантов

Допирующие атомы демонстрируют чрезвычайно медленные скорости диффузии в SiC из-за ограниченной миграции вакансии и сильной целостности решетки.

• Глубина диффузии небольшая.

• Время обработки длинное,

• Этот процесс очень чувствителен к колебаниям температуры.

2.3 Проблемы маскировки и моделирования

Традиционные маски SiO2 разлагаются при высоких температурах и не могут обеспечить надежное блокирование допантов.

• Маски из графита,

• Металлические пленки,

• Специализированные высокотемпературные покрытия.

2.4 Низкая эффективность активации допанта

Даже после диффузии допанты, как правило, остаются в интерстициальных участках и должны быть активированы путем последующей высокотемпературной отжиги.в результате:

• Сниженная концентрация свободных носителей,

• Более высокая изменчивость,

• Большая зависимость от плотности дефектов.

3Типичные виды допинга и их функции

Выбор допанта определяется желаемыми электрическими свойствами, поведением диффузии и требованиями к структуре устройства.

4Инженерные задачи диффузии SiC

Несмотря на свою полезность, диффузия в SiC представляет несколько заметных проблем:

4.1 Контроль процессов и кристаллическая целостность

Ультравысокие температуры могут привести к повреждению решетки или грубости поверхности.

• Температурные профили,

• Тепловые градиенты,

• Чистота атмосферы

требуется для поддержания качества материала.

4.2 Ограниченная способность к тонким узорам

Из-за низкой диффузивности, достижение локализованных, высокоточных допинг-профилей, обычно выполняемых в кремниевом CMOS, трудно в SiC.Это ограничение ограничивает распространение на конкретные архитектуры устройств, а не на производство общего назначения..

4.3 Высокие затраты на оборудование и эксплуатацию

Продолжительная высокотемпературная обработка приводит к:

• Большее потребление энергии,

• Увеличение износа оборудования,

• Более высокие затраты на производство по сравнению с диффузией кремния.

5Современное состояние и будущие тенденции в технологии диффузии SiC

5.1 Промышленное применение

В массовом производстве,ионная имплантация в сочетании с высокотемпературной отжигомстал доминирующим методом допинга из-за его точности и масштабируемости.
Тем не менее, диффузия остается важной в:

• устройства глубокого соединения,

• Некоторые биполярные структуры,

• Экспериментальные высоковольтные компоненты.

5.2 Направления исследований

НИОКР в настоящее время фокусируется на преодолении ограничений диффузии посредством:

• Диффузия при низкой температуре с помощью лазера или плазмы,

• Усовершенствованные методы активации допантов,

• Изменение поверхности для увеличения концентрации вакантных мест,

• Синергетические процессы, сочетающие диффузию с эпитаксиальным допингом in situ.

Эти разработки направлены на улучшение эффективности включения допанта при одновременном смягчении ущерба и сокращении тепловых потребностей.

6Заключение.

Диффузионный допинг в Си-Конте представляет собой сложный, но существенный метод в производстве мощных полупроводников.Диффузия остается важной в специфических высоковольтных и специализированных устройствахЕго уникальные проблемы - высокая температура, ограниченная диффузивность и трудности с активацией - отражают внутренние физические характеристики SiC как высокопрочного материала.

Поскольку SiC-устройства продолжают продвигаться к более высокой плотности мощности, улучшенной надежности и более требовательной рабочей среде,Процессы диффузии останутся ценным инструментом как в промышленности, так и в научных исследованиях., дополняя другие методологии допинга и способствуя непрерывной эволюции технологии полупроводников SiC.