O carboneto de silício (SiC) é um material semicondutor que supera os semicondutores à base de silício puro em várias aplicações. Usados principalmente em inversores de potência, acionamentos de motores e carregadores de bateria, os dispositivos SiC oferecem benefícios como alta densidade de potência e perdas de potência reduzidas em altas frequências, mesmo em altas tensões. Embora essas propriedades e seu custo relativamente baixo tornem o SiC um concorrente promissor em vários setores do mercado de semicondutores, sua baixa confiabilidade a longo prazo tem sido uma barreira intransponível nas últimas duas décadas.
Um dos problemas mais urgentes com o 4H-SiC – um tipo de SiC com propriedades físicas superiores – é a degradação bipolar. Este fenômeno é causado pela expansão de falhas de empilhamento em cristais 4H-SiC. Simplificando, pequenos deslocamentos na estrutura cristalina crescem ao longo do tempo em grandes defeitos chamados “falhas de empilhamento de Shockley único” que degradam progressivamente o desempenho e causam a falha do dispositivo. Embora existam alguns métodos para mitigar esse problema, eles encarecem o processo de fabricação do dispositivo.
Felizmente, uma equipe de pesquisadores do Japão liderada pelo professor associado Masashi Kato, do Instituto de Tecnologia de Nagoya, encontrou uma solução viável para esse problema. Em seu estudo publicado na revista Scientific Reports, eles apresentam uma técnica de supressão de falhas chamada “implantação de prótons” que pode prevenir a degradação bipolar em pastilhas semicondutoras 4H-SiC quando aplicadas antes do processo de fabricação do dispositivo.
Explicando a motivação para este estudo, o Dr. Kato diz: “Mesmo nos wafers epitaxiais de SiC recentemente desenvolvidos, a degradação bipolar persiste nas camadas do substrato. Queríamos ajudar a indústria a enfrentar esse desafio e encontrar uma maneira de desenvolver dispositivos SiC confiáveis e , portanto, decidiu investigar este método para eliminar a degradação bipolar.” O professor associado Shunta Harada, da Universidade de Nagoya, e Hitoshi Sakane, pesquisador acadêmico da SHI-ATEX, ambos no Japão, também fizeram parte deste estudo.
A implantação de prótons envolve a “injeção” de íons de hidrogênio no substrato usando um acelerador de partículas. A ideia é prevenir a formação de falhas de empilhamento de Shockley simples fixando deslocamentos parciais no cristal, um dos efeitos da introdução de impurezas de prótons. No entanto, a própria implantação de prótons pode danificar o substrato 4H-SiC, devido ao qual o recozimento de alta temperatura é usado como uma etapa de processamento adicional para reparar esse dano.
A equipe de pesquisa queria verificar 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 tensão-corrente desses diodos e as compararam com as de um diodo normal sem implantação de prótons. Finalmente, eles capturaram imagens de eletroluminescência dos diodos para verificar se as falhas de empilhamento haviam se formado ou não.
No geral, os resultados foram muito promissores, pois os diodos submetidos à implantação de prótons tiveram um desempenho tão bom quanto os normais, mas sem sinais de degradação bipolar. 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 falhas de empilhamento de Shockley simples foi significativa.
Os pesquisadores esperam que essas descobertas ajudem a criar 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 seriam semelhantes aos incorridos na implantação de íons de alumínio, atualmente uma etapa essencial na fabricação de dispositivos de energia 4H-SiC”, disse o Dr. Kato. “Além disso, com uma maior otimização das condições de implantação, existe a possibilidade de aplicar este método para a fabricação de outros tipos de dispositivos baseados em 4H-SiC.”
Publicado em 01/12/2022 08h01
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