Udvikling af verdens første vertikale galliumoxidtransistor gennem ionimplantationsdoping

Forskere ved National Institute of Information and Communications Technology (NICT) og Tokyo University of Agriculture and Technology (TUAT) demonstrerer en lodret Ga ₂ O ₃ metal-oxid-halvleder-felteffekttransistor (MOSFET), der anvender en all-ion-implanteret proces til både n-type og p-type doping, baner vejen for nye generationer af billige og meget fremstillelige Ga ₂ O ₃ kraftelektroniske enheder.

Powerelektronik beskæftiger sig med regulering og konvertering af elektrisk strøm i applikationer som motordrev, elektriske køretøjer, datacentre, og gitteret. Power elektroniske enheder, nemlig ensrettere (dioder) og kontakter (transistorer), udgør kernekomponenterne i kraftelektroniske kredsløb. I dag, strømudstyr lavet af silicium (Si) er mainstream, men de nærmer sig grundlæggende ydelsesbegrænsninger, gør de kommercielle elsystemer voluminøse og ineffektive. En ny generation af strømenheder baseret på bredbåndshalvlederen galliumoxid (Ga) ₂ O ₃ ) forventes at revolutionere magtelektronikindustrien. Ga ₂ O ₃ lover dramatiske reduktioner i størrelsen, vægt, koste, og energiforbrug af strømsystemer ved at øge både effekttætheden og effektkonverteringseffektiviteten på enhedsniveau.

Den banebrydende demonstration af den første single-crystal Ga ₂ O ₃ transistor af NICT i 2011 galvaniserede intensive internationale forskningsaktiviteter i videnskaben og teknikken for denne nye oxidhalvleder. I de sidste år har udviklingen af ​​Ga ₂ O ₃ transistorer har fokuseret på en lateral geometri. Imidlertid, laterale enheder er ikke modtagelige for de høje strømme og høje spændinger, der kræves til mange applikationer, på grund af store enhedsarealer og pålidelighedsproblemer som følge af selvopvarmning og overfladeustabilitet. I modsætning, den lodrette geometri giver mulighed for højere strømdrev uden at skulle forstørre chipstørrelsen, forenklet termisk styring, og langt overlegen feltterminering. Egenskaberne ved en lodret transistor switch er konstrueret ved at indføre to typer urenheder (doteringsmidler) i halvlederen - n-type doping, som giver mobile ladningsbærere (elektroner) til at føre elektrisk strøm, når kontakten er i tændt tilstand; og p-type doping, som muliggør spændingsblokering, når kontakten er i off-tilstand. En gruppe på NICT ledet af Masataka Higashiwaki har været banebrydende for brugen af ​​Si som et n-type dopingmiddel i Ga ₂ O ₃ enheder, men samfundet har længe kæmpet for at identificere et passende p-type dopingmiddel. Tidligere i år, den samme gruppe offentliggjort om gennemførligheden af ​​nitrogen (N) som et p-type dopingmiddel. Deres seneste præstation involverer at integrere Si- og N-doping for at konstruere en Ga ₂ O ₃ transistor for første gang, gennem en højenergi-doteringsintroduktionsproces kendt som ionimplantation.

"Vores succes er en banebrydende udvikling, der lover en transformerende indvirkning på Ga ₂ O ₃ strømudstyrsteknologi, " sagde Higashiwaki, Direktør for Green ICT Device Advanced Development Center på NICT. "Ionimplantation er en alsidig fremstillingsteknik, der er bredt anvendt i masseproduktion af kommercielle halvlederanordninger såsom Si og siliciumcarbid (SiC) MOSFET'er. Demonstrationen af ​​en allion-implanteret lodret Ga ₂ O ₃ transistor i høj grad forbedrer udsigterne for Ga ₂ O ₃ -baseret kraftelektronik."

Dette studie, udgivet 3. december i IEEE Electron Device Letters som et online-papir med tidlig adgang og planlagt til at blive vist i januar 2019-udgaven af ​​tidsskriftet, bygger på en tidligere, hvor en anden acceptordopant blev brugt. "Vi undersøgte oprindeligt magnesium for p-type doping, men dette dopingmiddel leverede ikke sin forventede ydeevne, da det diffunderer betydeligt ved høje procestemperaturer, "sagde Man Hoi Wong, en forsker ved Green ICT Device Advanced Development Center og hovedforfatteren af ​​papiret. "Kvælstof, på den anden side, er meget mere termisk stabil, derved skabe unikke muligheder for at designe og konstruere en række højspændingsga ₂ O ₃ enheder."

Ga ₂ O ₃ basismateriale, der blev brugt til fremstilling af det lodrette MOSFET, blev fremstillet ved en krystalvækstteknik kaldet haliddampfase -epitaxy (HVPE). Pioneret af Profs. Yoshinao Kumagai og Hisashi Murakami på TUAT, HVPE er i stand til at dyrke single-crystal Ga ₂ O ₃ film ved høje hastigheder og med lave urenhedsniveauer. Tre ionimplantationstrin blev udført for at danne n-type kontakter, n-type kanal, og p-type strømblokerende lag (CBL'er) i MOSFET'en. Enheden viste anstændige elektriske egenskaber, herunder en strømtæthed på 0,42 kA/cm ² , en specifik tænd-modstand på 31,5 mΩ·cm ² , og et højt drænstrøm til/fra-forhold større end otte størrelsesordener. Yderligere forbedringer i dens ydeevne kan let opnås med forbedret gate dielektrisk kvalitet og optimerede dopingskemaer.

Ifølge Higashiwaki og Wong, "Vertikale kraftenheder er de stærkeste konkurrenter til at kombinere strømme over 100 A med spændinger over 1 kV - kravene til mange mellem- og højeffekt industrielle og elektriske elsystemer til biler." Den teknologiske virkning af Ga ₂ O ₃ vil blive væsentligt styrket af tilgængeligheden af ​​smeltedyrkede native substrater - en af ​​de vigtigste muliggører for siliciumindustrien, der dominerer det globale halvledermarked med en årlig omsætning på flere hundrede milliarder amerikanske dollars. "Kommercialiseringen af ​​vertikale SiC og galliumnitrid (GaN) kraftenheder har, i et vist omfang, blevet hindret af de høje omkostninger ved substrater. For Ga ₂ O ₃ , den høje kvalitet og store størrelse af native substrater giver denne hastigt fremvoksende teknologi en unik og betydelig omkostningsfordel i forhold til de eksisterende SiC- og GaN-teknologier med brede båndgab, " forklarede forskerne.