Fig. 1 (a) Schematiskt tvärsnitt och (b) optisk mikrograf i planvy av det vertikala Ga2O3 MOSFET. Kredit:National Institute of Information and Communications Technology (NICT)
Forskare vid National Institute of Information and Communications Technology (NICT) och Tokyo University of Agriculture and Technology (TUAT) visar en vertikal Ga 2 O 3 metalloxid-halvledarfält-effekt-transistor (MOSFET) som antar en alljonimplanterad process för både n-typ och p-typ dopning, banar väg för nya generationer av lågkostnad och högtillverkningsbart Ga 2 O 3 kraftelektroniska enheter.
Kraftelektronik handlar om reglering och omvandling av elektrisk kraft i sådana applikationer som motordrivningar, elektriska fordon, datacenter, och rutnätet. Driva elektroniska enheter, nämligen likriktare (dioder) och switchar (transistorer), bilda kärnkomponenterna i kraftelektroniska kretsar. I dag, kraftenheter gjorda av kisel (Si) är vanliga men de närmar sig grundläggande prestandabegränsningar, vilket gör de kommersiella kraftsystemen skrymmande och ineffektiva. En ny generation kraftenheter baserade på den bredbandiga halvledaren galliumoxid (Ga 2 O 3 ) förväntas revolutionera kraftelektronikindustrin. Ga 2 O 3 lovar dramatiska minskningar av storleken, vikt, kosta, och energiförbrukning av kraftsystem genom att öka både effekttätheten och effektomvandlingseffektiviteten på enhetsnivå.
Den banbrytande demonstrationen av den första enkristalliga Ga 2 O 3 transistor av NICT 2011 galvaniserade intensiv internationell forskningsverksamhet kring vetenskap och teknik för denna nya oxidhalvledare. Under de senaste åren har utvecklingen av Ga 2 O 3 transistorer har fokuserat på en lateral geometri. Dock, laterala anordningar är inte mottagliga för de höga strömmar och höga spänningar som krävs för många applikationer på grund av stora enhetsområden och tillförlitlighetsproblem som härrör från självuppvärmning och ytinstabilitet. I kontrast, den vertikala geometrin möjliggör högre ström utan att behöva förstora chipstorleken, förenklad termisk hantering, och långt överlägsen fältavslutning. Egenskaperna hos en vertikal transistoromkopplare konstrueras genom att introducera två typer av föroreningar (dopmedel) i halvledaren-n-typ dopning, som tillhandahåller mobila laddningsbärare (elektroner) för att bära elektrisk ström när omkopplaren är i på-tillstånd; och p-typ dopning, vilket möjliggör spänningsblockering när omkopplaren är i avstängt läge. En grupp på NICT under ledning av Masataka Higashiwaki har varit föregångare i användningen av Si som dopningsmedel av n-typ i Ga 2 O 3 enheter, men samhället har länge kämpat för att identifiera ett lämpligt p-typdopande medel. Tidigare i år, samma grupp publicerad om genomförbarheten av kväve (N) som ett dopningsmedel av p-typ. Deras senaste prestation innebär att integrera Si- och N -dopning för att konstruera en Ga 2 O 3 transistor för första gången, genom en introduktionsprocess med hög energi dopning, känd som jonimplantation.
Fig. 2 (a) DC -utgång och (b) överföringsegenskaper för den vertikala Ga2O3 MOSFET. Kredit:National Institute of Information and Communications Technology (NICT)
"Vår framgång är en banbrytande utveckling som lovar en förändringseffekt på Ga 2 O 3 kraftenhetsteknik, "sa Higashiwaki, Direktör för Green ICT Device Advanced Development Center på NICT. "Jonimplantation är en mångsidig tillverkningsteknik som vida används vid massproduktion av kommersiella halvledaranordningar som Si och kiselkarbid (SiC) MOSFET. Demonstrationen av en alljonimplanterad vertikal Ga 2 O 3 transistor förbättrar avsevärt utsikterna för Ga 2 O 3 -baserad kraftelektronik. "
Den här studien, publicerad 3 december i IEEE elektronenhetsbokstäver som en tidig online -tidning och planerad att visas i januari 2019 -numret av tidningen, bygger på en tidigare där en annan acceptor dopant användes. "Vi undersökte initialt magnesium för dopning av p-typ, men detta dopningsmedel misslyckades med att leverera sin förväntade prestanda eftersom det diffunderar avsevärt vid höga procestemperaturer, "sa Man Hoi Wong, en forskare vid Green ICT Device Advanced Development Center och huvudförfattare till uppsatsen. "Kväve, å andra sidan, är mycket mer termiskt stabil, och därigenom skapa unika möjligheter för att designa och konstruera en mängd olika högspännings-Ga 2 O 3 enheter. "
Ga 2 O 3 basmaterial som används för att tillverka den vertikala MOSFET framställdes med en kristalltillväxtteknik som kallas halidångfasepitaxi (HVPE). Pionjär av proffs. Yoshinao Kumagai och Hisashi Murakami på TUAT, HVPE kan växa enkelkristall Ga 2 O 3 filmer med höga hastigheter och med låga föroreningsnivåer. Tre jonimplantationssteg utfördes för att bilda kontakterna av n-typ, n-typ kanal, och p-typ strömblockerande lager (CBL) i MOSFET. Enheten visade anständiga elektriska egenskaper inklusive en strömtäthet på 0,42 kA/cm 2 , ett specifikt motstånd på 31,5 mΩ · cm 2 , och ett högt avloppsström på/av -förhållande större än åtta storleksordningar. Ytterligare förbättringar av dess prestanda kan lätt uppnås med förbättrad gate -dielektrisk kvalitet och optimerade dopningssystem.
Enligt Higashiwaki och Wong, "Vertikala kraftenheter är de starkaste utmanarna att kombinera strömmar över 100 A med spänningar över 1 kV- kraven för många medelstora och högeffekta industri- och fordonselektriska system." Den tekniska effekten av Ga 2 O 3 kommer att förstärkas väsentligt av tillgängligheten av smältodlade nativa substrat-en av de viktigaste möjliggörarna för kiselindustrin som dominerar den globala halvledarmarknaden med en årlig intäkt på flera hundra miljarder amerikanska dollar. "Kommersialiseringen av vertikala SiC- och galliumnitrid (GaN) kraftenheter har, till en viss grad, hindras av den höga kostnaden för substrat. För Ga 2 O 3 , den höga kvaliteten och storleken på inhemska substrat erbjuder denna snabbt framväxande teknik en unik och betydande kostnadsfördel jämfört med den nuvarande bredbandiga SiC- och GaN-teknologin, "förklarade forskarna.
