El carburo de silicio (SiC) es un material semiconductor que supera a los semiconductores basados ​​en silicio puro en varias aplicaciones. Utilizados principalmente en inversores de potencia, accionamientos de motores y cargadores de baterías, los dispositivos de SiC ofrecen beneficios tales como una alta densidad de potencia y pérdidas de potencia reducidas a altas frecuencias, incluso a altos voltajes. Aunque estas propiedades y su costo relativamente bajo hacen del SiC un competidor prometedor en varios sectores del mercado de semiconductores, su pobre confiabilidad a largo plazo ha sido una barrera insuperable desde las últimas dos décadas.

Uno de los problemas más urgentes del 4H-SiC, un tipo de SiC con propiedades físicas superiores, es la degradación bipolar. Este fenómeno es causado por la expansión de las fallas de apilamiento en los cristales de 4H-SiC. En pocas palabras, las pequeñas dislocaciones en la estructura cristalina crecen con el tiempo hasta convertirse en grandes defectos llamados « fallas de apilamiento de Shockley únicas » que degradan progresivamente el rendimiento y hacen que el dispositivo falle. Aunque existen algunos métodos para mitigar este problema, encarecen el proceso de fabricación del dispositivo.

Afortunadamente, un equipo de investigadores de Japón dirigido por el profesor asociado Masashi Kato del Instituto de Tecnología de Nagoya ha encontrado una solución factible para este problema. En su estudio disponible en línea el 5 de noviembre de 2022 y publicado en la revista Scientific Reports el 5 de noviembre de 2022, presentan una técnica de supresión de fallas llamada « implantación de protones » que puede prevenir la degradación bipolar en obleas de semiconductores 4H-SiC cuando se aplica antes del dispositivo. proceso de fabricación. Al explicar la motivación de este estudio, el Dr. Kato dice : « Incluso en las obleas epitaxiales de SiC desarrolladas recientemente, la degradación bipolar persiste en las capas del sustrato. Queríamos ayudar a la industria a superar este desafío y encontrar una manera de desarrollar dispositivos de SiC confiables, y, por lo tanto, decidió investigar este método para eliminar la degradación bipolar ». El profesor asociado Shunta Harada de la Universidad de Nagoya y Hitoshi Sakane, investigador académico de SHI-ATEX, ambos en Japón, también formaron parte de este estudio.

La implantación de protones implica « inyectar » iones de hidrógeno en el sustrato utilizando un acelerador de partículas. La idea es prevenir la formación de fallas individuales de apilamiento de Shockley fijando dislocaciones parciales en el cristal, uno de los efectos de la introducción de impurezas de protones. Sin embargo, la propia implantación de protones puede dañar el sustrato 4H-SiC, por lo que se utiliza el recocido a alta temperatura como un paso de procesamiento adicional para reparar este daño.

El equipo de investigación quería verificar si la implantación de protones sería efectiva cuando se aplicara antes del proceso de fabricación del dispositivo, que normalmente incluye un paso de recocido a alta temperatura. En consecuencia, aplicaron la implantación de protones en diferentes dosis en obleas de 4H-SiC y las usaron para fabricar diodos PiN. Luego analizaron las características de corriente-voltaje de estos diodos y las compararon con las de un diodo normal sin implantación de protones. Finalmente, capturaron imágenes de electroluminiscencia de los diodos para verificar si se habían formado fallas de apilamiento o no.

En general, los resultados fueron muy prometedores ya que los diodos que se habían sometido a la implantación de protones funcionaron tan bien como los normales pero sin signos de degradación bipolar. El deterioro de las características de corriente-voltaje de los diodos provocado por la implantación de protones a dosis más bajas no fue significativo. Sin embargo, la supresión de la expansión de las fallas individuales de apilamiento de Shockley fue significativa.

Los investigadores esperan que estos hallazgos ayuden a crear dispositivos de SiC más confiables y rentables que puedan reducir el consumo de energía en trenes y vehículos. « Aunque se deben considerar los costos de fabricación adicionales de la implantación de protones, serían similares a los que se incurren en la implantación de iones de aluminio, actualmente un paso esencial en la fabricación de dispositivos de energía 4H-SiC ». especula el Dr. Kato. « Además, con una mayor optimización de las condiciones de implantación, existe la posibilidad de aplicar este método para la fabricación de otros tipos de dispositivos basados ​​en 4H-SiC ».

Con suerte, estos hallazgos ayudarán a desbloquear todo el potencial de SiC como material semiconductor para alimentar la electrónica de próxima generación.