Prótons corrigem um problema antigo na eletrônica de carboneto de silício - ScienceDaily

Prótons corrigem um problema antigo na eletrônica de carboneto de silício – ScienceDaily

O carboneto de silício (SiC) é um material semicondutor que supera os semicondutores à base de silício puro em muitas aplicações. Os dispositivos SiC são usados ​​principalmente em transdutores, acionamentos de motores e carregadores de bateria e oferecem vantagens como alta densidade de energia e perdas de energia reduzidas em altas frequências, mesmo em altas tensões. Embora essas propriedades e seu custo relativamente baixo tornem o SiC um concorrente promissor em vários segmentos do mercado de semicondutores, sua baixa confiabilidade a longo prazo tem sido uma barreira intransponível desde as últimas duas décadas.

Um dos problemas mais urgentes com o 4H-SiC – um tipo de SiC com propriedades físicas superiores – é a degradação do dipolo. Este fenômeno é causado pela expansão de falhas de empilhamento em cristais 4H-SiC. Simplificando, pequenas perturbações na estrutura cristalina crescem ao longo do tempo em grandes defeitos chamados “falhas de empilhamento de Shockley único” que degradam gradualmente o desempenho e causam falha no dispositivo. Embora existam algumas maneiras de mitigar esse problema, isso torna o dispositivo mais caro de fabricar.

Felizmente, uma equipe de pesquisadores do Japão, liderada pelo professor assistente Masashi Kato, do Instituto de Tecnologia de Nagoya, encontrou uma solução prática para esse problema. Em seu estudo disponibilizado online em 5 de novembro de 2022 e publicado na revista Scientific Reports em 5 de novembro de 2022, eles apresentam uma técnica de supressão de erros chamada “implantação de prótons” que pode impedir a degradação do dipolo em pastilhas semicondutoras 4H-SiC quando aplicadas antes do dispositivo processo de fabricação. . Dr. Kato explica a motivação por trás deste estudo, “Mesmo em wafers de SiC supraxial recentemente desenvolvidos, a degradação do dipolo persiste nas camadas do substrato. Queríamos ajudar a indústria a superar esse desafio e encontrar uma maneira de desenvolver dispositivos de SiC confiáveis ​​e, portanto, decidiu estudar este método para eliminar a degradação bipolar”. O professor associado Shunta Harada, da Universidade de Nagoya, e Hitoshi Sakan, pesquisador acadêmico da SHI-ATEX, ambos no Japão, fizeram parte deste estudo.

A implantação de prótons envolve a “injeção” de íons de hidrogênio em um substrato usando um acelerador de partículas. A ideia é prevenir a formação de defeitos únicos de empilhamento de Shockley, estabilizando deslocamentos parciais no cristal, que é um efeito da introdução de uma impureza de próton. No entanto, a própria implantação de prótons pode danificar o substrato 4H-SiC, devido ao uso de recozimento de alta temperatura como uma etapa de processamento adicional para reparar esse dano.

A equipe de pesquisa queria investigar se a implantação de prótons seria eficaz quando aplicada antes do processo de fabricação do dispositivo, que normalmente inclui uma etapa de recozimento de alta temperatura. Assim, eles aplicaram a implantação de prótons em diferentes doses em pastilhas 4H-SiC e as usaram para fabricar diodos PiN. Eles então analisaram as características de corrente-tensão desses diodos e as compararam com as de um diodo normal sem implantação de prótons. Por fim, eles tiraram fotoeletrografias dos diodos para verificar se havia formação de falhas de empilhamento.

No geral, os resultados foram muito promissores, pois os diodos submetidos à implantação de prótons tiveram um desempenho tão bom quanto os diodos normais, mas sem sinais de deterioração do dipolo. A deterioração das características de corrente-tensão dos diodos causada pela implantação de prótons em doses mais baixas não foi significativa. No entanto, a supressão da expansão de erros de empilhamento Shockley únicos foi significativa.

Os pesquisadores esperam que esses resultados ajudem a obter dispositivos SiC mais confiáveis ​​e econômicos que possam reduzir o consumo de energia em trens e veículos. “Embora os custos adicionais de fabricação da implantação de prótons devam ser considerados, eles serão semelhantes aos incorridos na implantação de íons de alumínio, que atualmente é uma etapa fundamental na fabricação de dispositivos de energia 4H-SiC”. especula o Dr. Cato. “Além disso, com maior otimização das condições de implantação, há potencial para aplicar este método à fabricação de outros tipos de dispositivos baseados em 4H-SiC.”

Esperamos que esses resultados ajudem a liberar todo o potencial do SiC como um material semicondutor para alimentar a eletrônica da próxima geração.

Fonte da história:

Materiais fornecidos por Instituto de Tecnologia de Nagoya. Observação: o conteúdo pode ser modificado por estilo e tamanho.

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