Одной из наиболее насущных проблем с 4H-SiC - типом SiC с превосходными физическими свойствами - является биполярная деградация. Это явление вызвано расширением дефектов укладки в кристаллах 4H-SiC. Проще говоря, небольшие дислокации в кристаллической структуре со временем превращаются в крупные дефекты, называемые "дефектами укладки по Шокли", которые постепенно снижают производительность и приводят к выходу устройства из строя. Хотя существуют некоторые методы устранения этой проблемы, они удорожают процесс изготовления устройства.

К счастью, команда исследователей из Японии, возглавляемая доцентом Масаси Като из Нагойского технологического института, теперь нашла возможное решение этой проблемы. В своем исследовании, доступном онлайн 5 ноября 2022 года и опубликованном в журнале Scientific Reports 5 ноября 2022 года, они представляют метод подавления сбоев под названием "протонная имплантация", который может предотвратить биполярную деградацию полупроводниковых пластин 4H-SiC при применении до процесса изготовления устройства. Объясняя мотивацию этого исследования, доктор Като говорит: "Даже в недавно разработанных эпитаксиальных пластинах SiC биполярная деградация сохраняется в слоях подложки. Мы хотели помочь отрасли справиться с этой задачей и найти способ разработки надежных устройств SiC, и поэтому решили исследовать этот метод устранения биполярной деградации". Адъюнкт-профессор Шунта Харада из Университета Нагои и Хитоси Сакане, академический исследователь из SHI-ATEX, оба в Японии, также участвовали в этом исследовании.

Протонная имплантация включает в себя "впрыскивание" ионов водорода в подложку с помощью ускорителя частиц. Идея состоит в том, чтобы предотвратить образование одиночных дефектов укладки Шокли путем закрепления частичных дислокаций в кристалле, что является одним из эффектов введения протонных примесей. Однако сама протонная имплантация может повредить подложку 4H-SiC, из-за чего высокотемпературный отжиг используется в качестве дополнительного этапа обработки для устранения этого повреждения.

Исследовательская группа хотела проверить, будет ли протонная имплантация эффективной при применении перед процессом изготовления устройства, который обычно включает этап высокотемпературного отжига. Соответственно, они применили протонную имплантацию в различных дозах на пластинах 4H-SiC и использовали их для изготовления штыревых диодов. Затем они проанализировали вольт-амперные характеристики этих диодов и сравнили их с характеристиками обычного диода без протонной имплантации. Наконец, они получили электролюминесцентные изображения диодов, чтобы проверить, образовались ли дефекты укладки или нет.

В целом, результаты были очень многообещающими, поскольку диоды, подвергшиеся протонной имплантации, работали так же хорошо, как и обычные, но без признаков биполярной деградации. Ухудшение вольт-амперных характеристик диодов, вызванное имплантацией протонов в более низких дозах, не было значительным. Однако подавление расширения одиночных разломов укладки Шокли было значительным.

Исследователи надеются, что эти результаты помогут создать более надежные и экономически эффективные устройства SiC, которые могут снизить энергопотребление в поездах и транспортных средствах. "Хотя следует учитывать дополнительные затраты на изготовление протонной имплантации, они будут аналогичны затратам на ионно-алюминиевую имплантацию, которая в настоящее время является важным этапом в изготовлении устройств питания 4H-SiC", - размышляет доктор Като. "Более того, при дальнейшей оптимизации условий имплантации существует возможность применения этого метода для изготовления других видов устройств на основе 4H-SiC".

Надеемся, что эти результаты помогут раскрыть весь потенциал SiC как полупроводникового материала для питания электроники следующего поколения.