Onderzoekers van het National Institute of Information and Communications Technology (NICT) en Tokyo University of Agriculture and Technology (TUAT) demonstreren een verticale Ga ₂ O ₃ metaal-oxide-halfgeleider veldeffecttransistor (MOSFET) die een all-ion-geïmplanteerd proces gebruikt voor zowel n-type als p-type doping, de weg vrijmaken voor nieuwe generaties goedkope en zeer produceerbare Ga ₂ O ₃ macht elektronische apparaten.

Vermogenselektronica houdt zich bezig met de regulering en omzetting van elektrisch vermogen in toepassingen zoals motoraandrijvingen, elektrische voertuigen, datacentra, en het rooster. Vermogen elektronische apparaten, namelijk gelijkrichters (diodes) en schakelaars (transistoren), vormen de kerncomponenten van vermogenselektronische circuits. Vandaag, stroomapparaten gemaakt van silicium (Si) zijn de mainstream, maar ze naderen fundamentele prestatiebeperkingen, waardoor de commerciële energiesystemen omvangrijk en inefficiënt worden. Een nieuwe generatie stroomapparaten op basis van de wide-bandgap halfgeleider galliumoxide (Ga ₂ O ₃ ) zal naar verwachting een revolutie teweegbrengen in de vermogenselektronica-industrie. Ga ₂ O ₃ belooft dramatische reducties in de grootte, gewicht, kosten, en energieverbruik van energiesystemen door zowel de vermogensdichtheid als de efficiëntie van de stroomconversie op apparaatniveau te verhogen.

De baanbrekende demonstratie van de eerste eenkristal Ga ₂ O ₃ transistor van NICT in 2011 verzinkte intensieve internationale onderzoeksactiviteiten naar de wetenschap en techniek van deze nieuwe oxidehalfgeleider. De afgelopen jaren, de ontwikkeling van Ga ₂ O ₃ transistors heeft zich gericht op een laterale geometrie. Echter, laterale apparaten zijn niet vatbaar voor de hoge stromen en hoge spanningen die voor veel toepassingen nodig zijn vanwege de grote apparaatoppervlakken en betrouwbaarheidsproblemen als gevolg van zelfopwarming en oppervlakte-instabiliteiten. In tegenstelling tot, de verticale geometrie maakt hogere stroomaandrijvingen mogelijk zonder de chipgrootte te vergroten, vereenvoudigd thermisch beheer, en veel betere veldbeëindiging. De eigenschappen van een verticale transistorschakelaar zijn ontwikkeld door twee soorten onzuiverheden (doteringsmiddelen) in de halfgeleider-n-type dotering te introduceren, die voorziet in mobiele ladingsdragers (elektronen) om elektrische stroom te voeren wanneer de schakelaar in de aan-stand staat; en p-type doping, die spanningsblokkering mogelijk maakt wanneer de schakelaar in de uit-stand staat. Een groep bij NICT onder leiding van Masataka Higashiwaki heeft een pioniersrol vervuld bij het gebruik van Si als een n-type doteringsmiddel in Ga ₂ O ₃ apparaten, maar de gemeenschap heeft lang geworsteld om een ​​geschikt p-type doteringsmiddel te identificeren. Eerder dit jaar, dezelfde groep publiceerde over de haalbaarheid van stikstof (N) als p-type doteringsstof. Hun laatste prestatie omvat het integreren van Si- en N-doping om een ​​Ga ₂ O ₃ transistor voor de eerste keer, via een hoogenergetisch doteringsproces dat bekend staat als ionenimplantatie.

"Ons succes is een baanbrekende ontwikkeling die een transformerende impact op Ga . belooft ₂ O ₃ de technologie van het machtsapparaat, " zei Higashiwaki, Directeur van het Green ICT Device Advanced Development Center bij NICT. "Ionenimplantatie is een veelzijdige fabricagetechniek die algemeen wordt toegepast bij de massaproductie van commerciële halfgeleiderapparaten zoals Si- en siliciumcarbide (SiC) MOSFET's. De demonstratie van een all-ion-geïmplanteerde verticale Ga ₂ O ₃ transistor vergroot de vooruitzichten voor Ga . aanzienlijk ₂ O ₃ -gebaseerde vermogenselektronica."

Deze studie, gepubliceerd op 3 december in de IEEE Electron Device Letters als een vroege toegang online paper en gepland om te verschijnen in het januari 2019 nummer van het tijdschrift, bouwt voort op een eerdere waarin een andere acceptordoteringsstof werd gebruikt. "We hebben in eerste instantie magnesium onderzocht op p-type doping, maar dit doteringsmiddel leverde niet de verwachte prestaties omdat het aanzienlijk diffundeert bij hoge procestemperaturen, " zei Man Hoi Wong, een onderzoeker van het Green ICT Device Advanced Development Center en de hoofdauteur van het artikel. "Stikstof, anderzijds, is veel thermisch stabieler, waardoor unieke kansen worden gecreëerd voor het ontwerpen en engineeren van een verscheidenheid aan hoogspanningsga ₂ O ₃ apparaten."

De ga ₂ O ₃ basismateriaal dat werd gebruikt voor het vervaardigen van de verticale MOSFET werd geproduceerd door een kristalgroeitechniek die halidedampfase-epitaxie (HVPE) wordt genoemd. Gepionierd door profs. Yoshinao Kumagai en Hisashi Murakami bij TUAT, HVPE is in staat om eenkristal Ga . te laten groeien ₂ O ₃ films met hoge snelheden en met lage onzuiverheidsniveaus. Er werden drie ionenimplantatiestappen uitgevoerd om de n-type contacten te vormen, n-type kanaal, en p-type stroomblokkerende lagen (CBL's) in de MOSFET. Het apparaat vertoonde behoorlijke elektrische eigenschappen, waaronder een stroomdichtheid van 0,42 kA/cm ² , een specifieke aan-weerstand van 31,5 mΩ·cm ² , en een hoge aan/uit-verhouding van de afvoerstroom groter dan acht ordes van grootte. Verdere verbeteringen in de prestaties kunnen gemakkelijk worden bereikt met verbeterde diëlektrische kwaliteit van de poort en geoptimaliseerde dopingschema's.

Volgens Higashiwaki en Wong, "Verticale stroomapparaten zijn de grootste kanshebbers om stromen van meer dan 100 A te combineren met spanningen van meer dan 1 kV - de vereisten voor veel industriële en auto-elektrische stroomsystemen met middelhoog en hoog vermogen." De technologische impact van Ga ₂ O ₃ zal aanzienlijk worden ondersteund door de beschikbaarheid van in de smelt gekweekte inheemse substraten - een van de belangrijkste factoren van de siliciumindustrie die de wereldwijde halfgeleidermarkt domineert met een jaarlijkse omzet van enkele honderden miljarden Amerikaanse dollars. "De commercialisering van verticale SiC- en galliumnitride (GaN) -vermogensapparaten heeft, tot op zekere hoogte, gehinderd door de hoge kosten van substraten. Voor Ga ₂ O ₃ , de hoge kwaliteit en het grote formaat van inheemse substraten bieden deze snel opkomende technologie een uniek en aanzienlijk kostenvoordeel ten opzichte van de bestaande breedbandige SiC- en GaN-technologieën, ', leggen de onderzoekers uit.