Dünyanın ilk dikey galyum oksit transistörü başarıyla geliştirildi!
Kılavuz
Son zamanlarda, Japonya'nın Bilgi ve İletişim Araştırma Enstitüsü ve Tokyo Tarım ve Teknoloji Üniversitesi, N tipi ve P tipi doping için "tam iyon implantasyonu" işlemi kullanan dikey bir galyum oksit (Ga2O3) metal oksit yarı iletken alan etkili transistör (MOSFET) gösterdi. Düşük maliyetli, yüksek üretilebilirlikli Ga2O3 güç elektroniği cihazlarında yeni bir çağın yolunu açın.
arka fon
Güç elektroniği, motor sürücüleri, elektrikli araçlar, veri merkezleri ve güç şebekeleri gibi uygulamalarda güç kontrolü ve dönüşümünü içeren bir disiplindir. Güç elektroniği cihazları, yani doğrultucular (diyotlar) ve anahtarlar (transistörler), güç elektroniği devrelerinin temel bileşenlerini oluşturur.
Diyot (Resim kaynağı: Wikipedia)
Transistör (Resim kaynağı: Wikipedia)
Her türlü güç elektronik cihazı çevremizde her yerde görülebilir.Genellikle, taşınabilir elektronik cihazları şarj etmek için mobil güç, elektrikli araçlar için pil paketleri ve elektrik şebekesinin kendisi için güç iletim ve dönüştürme ekipmanı gibi voltajı değiştirmek veya AC'yi DC'ye dönüştürmek için kullanılırlar.
Günümüzde ana akım güç cihazları silikondan (Si) oluşuyor, ancak bu güç cihazı temel performans sınırına yaklaşarak ticari güç sistemlerinin hantal ve verimsiz olmasına neden oluyor.
Geniş bant aralıklı yarı iletken galyum oksit (Ga2O3) tabanlı yeni nesil güç cihazlarının güç elektroniği endüstrisinde devrim yaratması bekleniyor.
-galyum oksit kristal yapısının şematik diyagramı (resim kaynağı: Wikipedia)
Geniş bant aralıklı yarı iletken malzemeler (2,2eV'den büyük bant aralığı), esas olarak elmas, SiC, GaN vb. Dahil olmak üzere üçüncü nesil yarı iletken malzemeler olarak adlandırılır. Birinci ve ikinci nesil yarı iletken malzemelerle karşılaştırıldığında, üçüncü nesil yarı iletken malzemeler, büyük yasak bant genişliği, yüksek elektron doygunluk sürüklenme hızı, düşük dielektrik sabiti ve iyi iletkenlik avantajlarına sahiptir. Geleneksel silikon tabanlı devrelerle karşılaştırıldığında, geniş bant aralıklı yarı iletken malzemelere dayalı devreler daha yüksek güç yoğunluğuna ve daha düşük güç tüketimine sahiptir. Ga2O3, güç sistemlerinin boyutunu, ağırlığını, maliyetini ve enerji tüketimini önemli ölçüde azaltması beklenen "cihaz düzeyinde" güç yoğunluğunu ve güç dönüştürme verimliliğini artırır.
Yazar daha önce American Physical Union [3] tarafından yayınlanan "Applied Physics Letters" dergisinde yayınlanan bir makaleyi tanıttı [3]. Makalede, araştırmacılar yeni deney aracılığıyla gösterdiler. Bant aralığı yarı iletken malzemesi Ga2O3 ", elektronların kristal yapıda daha hızlı hareket etmesini sağlayan nanoyapı içinde tasarlanmıştır. Elektronlar çok "kolay" aktığından, Ga2O3'ün yüksek frekanslı iletişim sistemleri ve enerji tasarrufu sağlayan güç elektroniği cihazları için ideal bir malzeme olması bekleniyor.
(Resim kaynağı: Choong Hee Lee ve Yuewei Zhang)
Yenilikçilik
Yakın zamanda, Japonya Bilgi ve İletişim Araştırmaları Enstitüsü (NICT) ve Tokyo Tarım ve Teknoloji Üniversitesi (TUAT), "tamamı iyon implante edilmiş" kullanan "dikey" galyum oksit metal oksit yarı iletken alan etkili transistör (MOSFET) gösterdi. ) "N-tipi ve P-tipi doping işlemi, düşük maliyetli, yüksek üretilebilirlik Ga2O3 güç elektroniği cihazlarında yeni bir çağın yolunu açıyor.
teknoloji
2011 yılında, NICT ilk tek kristalli Ga2O3 transistörün tanıtımına öncülük etti, bu da yoğun uluslararası bilimsel araştırma faaliyetlerine yol açtı ve bu yeni oksit yarı iletken türünün bilim ve mühendisliği üzerine araştırmalara başladı [4].
Geçtiğimiz birkaç yıl içinde, Ga2O3 transistörlerinin geliştirilmesi, yanal geometri çalışmasına odaklandı. Bununla birlikte, geniş cihaz alanı, ısı üretiminin neden olduğu güvenilirlik sorunları ve yüzey dengesizliği nedeniyle, yanal cihazlar birçok uygulamanın gerektirdiği "yüksek akım ve yüksek voltaj" testlerine kolayca dayanamaz.
Tersine, dikey geometri, talaş boyutunu artırmak zorunda kalmadan daha yüksek bir akımda çalıştırılabilir, bu da termal yönetimi basitleştirir ve "çok daha iyi" alan sonlandırma sağlar. Dikey transistör anahtarının özellikleri, yarı iletkene iki tür safsızlık (katkı maddeleri) katılarak tasarlanmıştır. Anahtar "açık" olduğunda, N-tipi doping akımı taşımak için mobil taşıyıcılar (elektronlar) sağlar; anahtar "kapalı" olduğunda, P-tipi doping voltaj bloke etmeye başlar.
Masataka Higashiwaki liderliğindeki NICT araştırma ekibi, Ga2O3 cihazlarında N-tipi bir katkı maddesi olarak silikon (Si) kullanımında başı çekti, ancak bilim topluluğu uzun zamandır uygun bir P-tipi katkı maddesi bulmak için çok çalışıyor. Bu yılın başlarında, aynı araştırma ekibi nitrojeni (N) bir P-tipi katkı maddesi olarak kullanmanın uygulanabilirliğini duyurdu [5]. En son başarıları arasında, bir Ga2O3 transistörünü tasarlamak için silikon ve nitrojen katkısını entegre eden "iyon implantasyonu" adı verilen yüksek enerjili katkı maddelerinin ilk tanıtımı yer alıyor.
3 Aralık'ta IEEE Electron Device Letters dergisinde erken erişim çevrimiçi makale [2] şeklinde yayımlanan bu araştırmanın derginin Ocak 2019 sayısında yayınlanması planlanıyor. Bu çalışma, farklı alıcı katkı maddelerinin kullanıldığı daha önceki bir çalışmaya dayanmaktadır [6].
Yeşil ICT Cihazları için Gelişmiş Geliştirme Merkezi'nde araştırmacı olan ve bu makalenin baş yazarı Man Hoi Wong şunları söyledi: Başlangıçta magnezyum ile P-tipi doping üzerine çalıştık, ancak bu katkı maddesi yüksek sıcaklıklarda işlendiği için istenen performansı sağlayamıyor. Öte yandan azot, çok daha yüksek termal kararlılığa sahiptir ve bu da yüksek voltajlı Ga2O3 cihazlarının tasarımı ve üretimi için benzersiz fırsatlar sağlar. "
Dikey MOSFET'leri üretmek için kullanılan Ga2O3 temel malzemesi "halojenür buharı fazı epitaksi (HVPE)" adı verilen bir kristal büyütme tekniği ile üretilir. HVPE'nin öncülüğünü TUAT profesörleri Yoshinao Kumagai ve Hisashi Murakami, "yüksek hızda ve düşük safsızlık seviyesinde" tek kristalli Ga2O3 ince filmleri yetiştirebilir [7]. Araştırmacılar, MOSFET'te N-tipi kontaklar, N-tipi kanallar ve P-tipi akım engelleme katmanları (CBL'ler) oluşturmak için üç iyon implantasyon adımı uyguladılar (Şekil 1). Bu cihaz, 0,42 kA / cm2'lik bir açık akım yoğunluğu, 31,5 m · cm2'lik spesifik bir açık direnç ve sekizden fazla büyüklük sırasına sahip yüksek boşaltma akımı açma-kapama oranı dahil olmak üzere oldukça iyi elektriksel özellikler sergiler (Şekil 2). Kapı yalıtım katmanının kalitesini iyileştirerek ve katkılama şemasını optimize ederek, performansı kolaylıkla daha da iyileştirilebilir.
Şekil 1. Boyuna Ga2O3 MOSFET (a) enine kesit şematik diyagramı ve (b) plan görünümü optik mikrografı (fotoğraf kaynağı: NICT)
Şekil 2. Dikey Ga2O3 MOSFET (a) DC çıkışı ve (b) transfer özellikleri (resim kaynağı: NICT)
değer
NICT Yeşil ICT Cihazları Gelişmiş Geliştirme Merkezi Direktörü Higashiwaki şunları söyledi: "Başarımız, Ga2O3 güç cihazı teknolojisi üzerinde dönüştürücü bir etkisi olması beklenen çığır açan bir gelişmede yatıyor." İyon implantasyonu "çok işlevli bir üretim teknolojisidir, Silikon karbür (SiC) metal oksit yarı iletken alan etkili kristalleri gibi ticari yarı iletken cihazların seri üretiminde yaygın olarak kullanılmaktadır. Tüm iyon implante edilmiş dikey Ga2O3 transistörlerinin gösterimi, Ga2O3 tabanlı güç elektroniği cihazlarının beklentilerini büyük ölçüde geliştirmiştir. "
Higashiwaki ve Wong şunları söyledi: "Boylamsal güç cihazları en güçlü rakiptir. 100A'dan fazla akımları 1kV'den yüksek voltajlarla birleştirebilirler. Böyle bir kombinasyon birçok medya tarafından gereklidir ve aynı zamanda güç endüstrisi ve otomotiv güç sistemleri. Neye ihtiyacın var."
Ga2O3'ün teknolojik etkisi, silikon endüstrisinin temel destekleyicilerinden biri olan "eritme yöntemi" ile yetiştirilen doğal maddeler tarafından tamamen desteklenecektir. Silikon endüstrisi, yüz milyarlarca dolarlık yıllık getiri ile küresel yarı iletken pazarına hakimdir. Araştırmacılar şunları açıkladı: "Dikey silisyum karbür (SiC) ve galyum nitrür (GaN) güç cihazları, substratın yüksek maliyeti nedeniyle bir dereceye kadar engellendi. Ga2O3 için, yüksek kaliteli ve büyük boyutlu doğal substratlar Şu anda kullanılan geniş bant aralığı SiC ve GaN teknolojileri ile karşılaştırıldığında, bu hızla gelişen teknoloji için benzersiz ve önemli bir maliyet avantajı sağlıyor. "
Anahtar kelime
Transistörler, yarı iletkenler, güç cihazları, galyum nitrür
Referans
[1]
[2] https://ieeexplore.ieee.org/document/8556005
3 Yuewei Zhang, Adam Neal, Zhanbo Xia, Chandan Joishi, Jared M. Johnson, Yuanhua Zheng, Sanyam Bajaj, Mark Brenner, Donald Dorsey, Kelson Chabak, Gregg Jessen, Jinwoo Hwang, Shin Mou, Joseph P. Heremans, Siddharth Rajan. Modülasyon katkılı - (AlxGa1-x) 2O3 / Ga2O3 heteroyapılarında yüksek hareketlilik ve kuantum taşınmanın gösterilmesi. Applied Physics Letters, 2018; 112 (17): 173502 DOI: 10.1063 / 1.5025704
[4] M. Higashiwaki, K. Sasaki, A. Kuramata, T. Masui ve S. Yamakoshi, "Tek kristal -Ga2O3 (010) substratları üzerinde galyum oksit (Ga2O3) metal-yarı iletken alan etkili transistörler" Appl. Phys. Lett., Cilt 100, no. 1, sayfa 103504, Ocak 2012.
[5] MH Wong, C.-H. Lin, A. Kuramata, S. Yamakoshi, H. Murakami, Y. Kumagai ve M. Higashiwaki, "Mg ve N iyon implantasyonları ile -Ga2O3'ün alıcı katkısı", Appl Phys. Lett., Cilt 113, no. 10, s.102103, Eylül 2018.
[6] MH Wong, K. Goto, Y. Morikawa, A. Kuramata, S. Yamakoshi, H. Murakami, Y. Kumagai, ve M. Higashiwaki, "All-ion-implanted planar-gate current aperture vertical Ga2O3 MOSFETs with Mg katkılı engelleme tabakası, "Appl. Phys. Express, cilt 11, no. 6, s. 064102, Haziran 2018.
[7] H. Murakami, K. Nomura, K. Goto, K. Sasaki, K. Kawara, QT Thieu, R. Togashi, Y. Kumagai, M. Higashiwaki, A. Kuramata, S. Yamakoshi, B. Monemar, ve A. Koukitu, "Halide buhar fazı epitaksi ile -Ga2O3 katmanlarının homoepitaksiyal büyümesi," Appl. Phys. Express, cilt 8, no. 1, s. 015503, Ocak 2015.
