Entwicklung des weltweit ersten vertikalen Ga2O3-transistor, der durch Ionen-implantation doping: Ebnet den Weg für neue Generationen von low-cost-und hoch-herstellbare Ga2O3-power-elektronische Geräte

Forscher am National Institute of Information und Communications Technology (NICT) und der Tokyo University of Agriculture and Technology (TUAT) zeigen eine vertikale Ga₂O₃ metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET), nimmt eine all-Ionen-implantiert-Prozess für n-Typ und p-Typ-Dotierung, ebnet den Weg für neue Generationen von low-cost-und hoch-herstellbare Ga₂O₃ – power-elektronischen Geräten.

Leistungselektronik befasst sich mit der Regelung und Umwandlung von elektrischer Energie in Anwendungen wie Antriebe, Elektro-Fahrzeuge, Rechenzentren und grid. Power-elektronische Geräte, nämlich Gleichrichter (dioden) und Schaltern (transistoren), bilden die Kernkomponenten des leistungselektronischen schaltungen. Heute, power-Geräte hergestellt aus Silizium (Si) sind mainstream, aber Sie sind an der performance-Einschränkungen, was die kommerziellen power-Systeme sperrig und ineffizient. Eine neue generation von power Geräte auf Basis der wide-bandgap-Halbleiter — gallium oxide (Ga₂O₃) — voraussichtlich revolutionieren die Leistungselektronik-Industrie. Ga₂O₃ verspricht einen drastischen Abbau in der Größe, Gewicht, Kosten und Energieverbrauch von power systems durch Erhöhung der Leistungsdichte und des Wirkungsgrads der Energieumwandlung auf der Geräte-Ebene.

Die bahnbrechenden Demo die erste single-crystal-Ga₂O₃ – transistor durch NICT in 2011 verzinkt intensiven internationalen Forschungsaktivitäten in Wissenschaft und engineering dieser neuen OXID-Halbleiter. In den vergangenen Jahren, die Entwicklung von Ga₂O₃ transistoren hat sich auf eine laterale geometrie. Jedoch, seitliche Geräte sind nicht zugänglich, um die hohen Ströme und hohe Spannungen erforderlich, die für viele Anwendungen aufgrund der großen Geräte-Bereiche und Probleme mit der Zuverlässigkeit, die sich aus selbst-Heizung und Oberflächen-Instabilitäten. Im Gegensatz dazu, die vertikale geometrie ermöglicht höhere aktuelle Laufwerke ohne vergrößern der chip-Größe, Vereinfachtes thermisches management, und weit überlegen Bereich Kündigung. Die Eigenschaften der vertikalen transistor-Schalter entwickelt werden, durch die Einführung von zwei Arten von Verunreinigungen (die dotierungen) in den Halbleiter – — n-Typ-Dotierung, die mit mobilen Ladungsträgern (Elektronen), die zur Durchführung elektrischer Strom, wenn der Schalter in der on-Zustand; und p-Typ-Dotierung, die es ermöglicht, Spannung blockiert, wenn der Schalter in den aus-Zustand. Eine Gruppe an, NICT der Leitung von Masataka Higashiwaki ist der Pionier bei der Verwendung von Si als n-Typ dotierstoff in Ga₂O₃ – Geräte, aber die community hat lange gekämpft, um zu identifizieren, eine geeignete p-Typ-dotierstoff. Anfang dieses Jahres publizierte die gleiche Gruppe über die Durchführbarkeit von Stickstoff (N) als p-Typ-dotierstoff. Ihre neueste Errungenschaft besteht darin, Si-und N-doping-Engineering eines Ga₂O₃ – transistor für die erste Zeit, die durch einen hohen Energie-dotierstoff-Einführung Prozess, der als Ionen-implantation.

„Unser Erfolg ist eine bahnbrechende Entwicklung, die verspricht, eine transformative Wirkung auf Ga₂O₃ power-Gerät die Technologie“, sagte Higashiwaki, Direktor des Green-ICT-Gerät Advanced Development Center NICT. „Ionenimplantation ist ein vielseitiges Herstellungs-Technik weit verbreitet in den Massen-Produktion von Werbe-Halbleiter wie Si und Siliziumkarbid (SiC) MOSFETs. Die demonstration eines all-Ionen-implantierten vertikalen Ga₂O₃ – transistor verbessert die Aussichten für Ga₂O₃-basierte Leistungselektronik.“

Diese Studie, veröffentlicht 3. Dezember in der IEEE Electron Device Letters als early-access-online-Zeitung, die geplante erscheinen in der Januar 2019 Ausgabe der Zeitschrift, baut auf einem früheren, in dem eine andere Akzeptor-Dotierung verwendet wurde. „Wir haben zunächst untersucht magnesium-für p-type doping, aber diese dotierstoff versagt seine erwartete Leistung, da es diffundiert wesentlich bei hohen Prozess-Temperaturen“, sagte Man-Hoi Wong, ein Forscher von Green-ICT-Gerät Advanced Development Center und der leitende Autor des Papiers. „Stickstoff, auf der anderen Seite, ist viel mehr thermisch stabil, wodurch es einzigartige Möglichkeiten für Design und Konstruktion eine Vielzahl von Hochspannungs-Ga₂O₃ – Geräte.“

Das Ga₂O₃ – Basis-material, das für die Herstellung der vertikal-MOSFET wurde von einem Kristall-Wachstum-Technik namens halide vapor phase epitaxy (HVPE). Pionierarbeit von Profs. Yoshinao Kumagai und Hisashi Murakami in TUAT, HVPE ist in der Lage wachsenden Einkristall-Ga₂O₃ – Folien bei hohen Geschwindigkeiten und niedrige Verunreinigung Ebenen. Drei Ionenimplantation Schritte durchgeführt wurden, bilden die n-Typ-Kontakte, n-Typ-Kanal-und p-type current blocking Layer (CBLs) im MOSFET. Das Gerät zeigte anständige elektrische Eigenschaften, unter anderem einen aktuellen Dichte von 0,42 kA/cm², eine spezifische on-Widerstand von 31,5 mΩ·cm², und einen hohen drain-Strom on/off-Verhältnis größer als acht Größenordnungen. Weitere Verbesserungen in der Leistung am ehesten erreicht werden kann, mit verbesserter gate-Dielektrikum Qualität und optimiert doping-Regelungen.

Nach Higashiwaki und Wong, „Vertical power-Geräte sind die stärksten Anwärter zu kombinieren Ströme über 100 A bei Spannungen über 1 kV — die Anforderungen für viele medium – und high-power-Industrie-und automotive electric power systems.“ Die technologischen Auswirkungen von Ga₂O₃ wird wesentlich gestärkt durch die Verfügbarkeit von melt-grown-nativen Substraten einer der wichtigsten Faktoren der Silizium-Industrie, dominiert der Globale Halbleiter-Markt mit einem jährlichen Umsatz von mehreren hundert Milliarden US-Dollar. „Die Kommerzialisierung der vertikalen SiC-und gallium-Nitrid (GaN) – power-Geräte hat, bis zu einem gewissen Grad behindert worden durch die hohen Kosten der Substrate. Für Ga₂O₃, die hohe Qualität und die große Größe der nativen Substrate bieten in dieser sich schnell entwickelnden Technologie eine einzigartige und signifikante Kosten-Vorteil gegenüber dem etablierten wide-bandgap-SiC-und GaN-Technologien“, erklärten die Forscher.