Новый, новый транзистор — IEEE Spectrum

За последнее десятилетие произошла одна из самых громких историй в полупроводники стало неожиданным затмением традиционного кремния — в области силовой электроники, где Карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN) промчались мимо кремния, чтобы захватить многомиллиардный сегменты рынка. И поскольку основные приложения достались этим выскочкам с их превосходными качествами, естественно, возник вопрос. Каким будет следующий новый силовой полупроводник, чьи превосходные возможности позволят отобрать большую долю рынка у SiC и GaN?

Внимание сосредоточилось на трёх кандидатах: оксид галлия, алмази нитрид алюминия (АлН). Все они обладают замечательными качествами, а также фундаментальными недостатками, которые до сих пор препятствовали коммерческому успеху. Однако теперь перспективы AlN значительно улучшились благодаря нескольким недавним прорывам, в том числе технологическому прогрессу в Университете Нагои, о котором сообщалось на последнем Международные электронные устройства IEEE Встреча, состоявшаяся в декабре прошлого года в Сан-Франциско.

Как нитрид алюминия опережает (и опережает?) SiC и GaN

В документе IEDM описывается изготовление диода на основе сплавов нитрида алюминия, способного выдерживать электрическое поле напряженностью 7,3 мегавольта на сантиметр — примерно в два раза больше, чем это возможно при использовании карбида кремния или нитрида галлия. Примечательно, что устройство также имело очень низкое сопротивление при проведении тока. «Это впечатляющий результат», — говорит старший член IEEE. В. Алан Дулитл, профессор электротехники и вычислительной техники в Технологическом институте Джорджии. «Особенно сопротивление этой штуки, что до смешного хорошо». У статьи в Нагое семь соавторов, включая члена IEEE. Хироши Аманополучивший Нобелевскую премию в 2014 году за изобретение синего светодиода.

«Это новая концепция полупроводниковых устройств». —Дебдип Йена, Корнелл

Нитрид алюминия уже давно интересует исследователей полупроводников. Одной из наиболее важных характеристик силового полупроводника является его запрещенная зона. Это энергия в электрон-вольтах, необходимая электрону в решетке полупроводника для того, чтобы перепрыгнуть из валентной зоны в зону проводимости, где он может свободно перемещаться по решетке и проводить электричество. В полупроводнике с широкой запрещенной зоной, таком как нитрид галлия (GaN) или карбид кремния (SiC), связи между атомами прочные. Таким образом, материал способен выдерживать очень интенсивные электрические поля до того, как связи разорвутся и транзистор разрушен. Но они оба меркнут по сравнению с AlN. Ширина запрещенной зоны AlN составляет 6,20 электронвольт; для GaN это 3,40, а для наиболее распространенного типа SiC — 3,26.

Одна давняя проблема с AlN заключается в допинг, который представляет собой введение примесных элементов, которые придают полупроводнику избыточный заряд, тем самым позволяя ему проводить ток. Стратегии химического легирования AlN начали появляться только в последние годы, еще не полностью разработаны, и их эффективность является предметом споров среди исследователей. При легировании избыточными зарядами могут быть электроны, и в этом случае полупроводник называется «n-типа», или это могут быть дефекты электронов, называемые дырками, и в этом случае это «п-тип.” Почти все коммерчески успешные устройства состоят из таких легированных полупроводников, скрепленных вместе.

Но легирование примесями, оказывается, не единственный способ легировать полупроводник. Некоторые полупроводники на основе соединений, содержащих элементы III группы (также известных как группа скандия) и группа V (группа ванадия) в таблице Менделеева — например, составной нитрид галлия — обладают необычным и замечательным свойством. На границе, где встречаются два таких полупроводника, они могут спонтанно генерировать двумерный пул чрезвычайно подвижных носителей заряда, называемый двумерный электронный газ, даже без химического допинга. Оно возникает из-за внутреннего электрического поля в кристалле, которое возникает из-за нескольких атрибутов. Во-первых, кристаллы этих полупроводников III-V необычайно полярны: внутри элементарных ячеек кристалла облака электронов и положительно заряженных ядер смещены друг от друга настолько, что в каждой ячейке образуются отдельные отрицательные и положительные области (диполь). . Кроме того, в кристаллической решетке этих полупроводников можно генерировать заряды, просто деформируя эту решетку. Это явление называется пьезоэлектричество.

История большого прогресса

В начале 2000-х годов исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре использовали эти характеристики для разработки метода, названного ими распределенным поляризационным легированием, который позволил им получить н-типовое легирование объемного (трехмерного) нитрида галлия без примесных легирующих добавок. В состав группы входил научный сотрудник IEEE. Умеш Мишра (ныне декан инженерного факультета UCSB) и его аспиранты Дебдип Йена и Хуйли (Грейс) Син, оба сейчас учатся в Корнеллском университете. Йена и Син, оба стипендиаты IEEE, позже продемонстрировали пЛегирование распределенной поляризацией -типа в 2010 году, а затем двумерные дырочные газы без примесей в 2018 году в Корнелле.

Современные нитрид-алюминиевые диоды испытываются в Университете Нагои.Нагойский университет

Группа из Нагои опиралась на эти предыдущие достижения, реализовав метод безлегирования распределенной поляризации в нитриде алюминия, или, точнее, в сплаве нитрида алюминия-галлия (AlGaN), состоящем из смеси AlN и GaN. Как и любой диод, их устройство имеет п-легированная область, сопряженная с н-легированный, с границей, называемой переходом, между ними. Для обеих областей легирование осуществлялось с помощью распределенного поляризационного легирования. Они достигли разных поляризаций, н-тип и п-типа, путем установления градиента в каждой из легированных областей процентного содержания AlN по сравнению с GaN в сплаве. Является ли допинг н-Введите или п-type зависит просто от направления градиента.

«Вместо того, чтобы иметь однородный состав AlGaN, состав алюминия изменяется пространственно линейно», — говорит Йена. пЛегированный слой начинается с чистого нитрида галлия на стороне, прилегающей к анодному контакту. Двигаемся к перекрестку с ул. нВ -легированном слое процент нитрида алюминия в сплаве AlGaN увеличивается, пока не достигнет 95 процентов AlN прямо на стыке. Продолжая идти в том же направлении, двигаясь по нВ легированной области процентное содержание AlN падает по мере удаления от перехода, начиная с 95 процентов и заканчивая 70 процентами AlN, где этот слой вступает в контакт с чистой подложкой AlN.

Конечная цель — коммерчески доступный силовой транзистор из нитрида алюминия, который значительно превосходит существующие варианты, и работа в Нагое не оставила никаких сомнений в том, что это в конечном итоге произойдет.

«Это новая концепция полупроводниковых устройств», — говорит Йена об устройстве в Нагое. Следующим шагом, добавляет он, является изготовление диода со слоем чистого AlN на переходе, а не 95-процентного AlN. По его расчетам, слоя AlN толщиной всего два микрона будет достаточно, чтобы заблокировать 3 киловольта. «Именно это произойдет в самом ближайшем будущем», — говорит он.

В Технологическом институте Джорджии Дулиттл согласен, что еще есть возможности для огромных улучшений за счет включения более высоких уровней чистого AlN в будущие устройства. Например, электрическое поле пробоя диода Нагоя, составляющее 7,3 МВ/см, впечатляет, но теоретический максимум для устройства с AlN составляет около 15. Теплопроводность также значительно улучшилась бы при увеличении количества AlN. Способность проводить тепло жизненно важна для силового устройства, а теплопроводность сплава AlGaN посредственная — ниже 50. ватт на метр-кельвин. Чистый нитрид алюминия, с другой стороны, очень приличный при 320, между GaN при 250 и SiC при 490.

Конечной целью является создание коммерчески доступного силового транзистора AlN, который значительно превосходит существующие варианты, и работа в Нагое не оставила никаких сомнений в том, что это в конечном итоге произойдет, по мнению Джены и Дулитла. «На данный момент это всего лишь инженерия», — говорит Дулиттл. Они оба отмечают, что диод Нагоя представляет собой вертикальное устройство, что является предпочтительной ориентацией для силовых полупроводников. В вертикальном устройстве ток течет вверх от подложки непосредственно к контактам в верхней части устройства — конфигурация, которая обеспечивает максимальный ток.

По крайней мере полдюжины Транзисторы на основе AlN были продемонстрированы в последние годы, но ни одно из них не было вертикальным устройством и ни одно не имело характеристик, конкурирующих с коммерчески доступными GaN или SiC-транзисторами. Они также использовали AlGaN в ключевых компонентах устройства.

В электронном письме на IEEE-спектрчлен IEEE Такеру Кумабесоавтор статьи в Нагое, написал: «Мы считаем, что возможно продемонстрировать коммерчески конкурентоспособную [power transistors] с использованием технологии легирования распределенной поляризацией…. Биполярные транзисторы с вертикальным гетеропереходом на основе AlN, состоящие из двух п–н перекрестков и демонстрирует хорошую энергоэффективность и эффективность использования площади, — это наше целевое устройство, наша мечта, которая должна быть реализована».

Кумабе добавил, что для реализации этой мечты команда сосредоточится на более глубоком понимании подвижности заряда, «времени жизни носителей, критического электрического поля и дефектов глубокого уровня». Также следует разработать технологии выращивания кристаллов и изготовления устройств, которые позволяют производить высококачественные слои устройств и наносить меньше повреждений во время обработки».

«Мы хотим решить эти вопросы в течение 3-5 лет и коммерциализировать силовые устройства на основе AlN в 2030-х годах», — сказал он.