Fig. 1 (a) Esquemático em corte transversal e (b) micrografia óptica em vista plana do MOSFET Ga2O3 vertical. Crédito:Instituto Nacional de Tecnologia da Informação e Comunicação (NICT)
Pesquisadores do Instituto Nacional de Tecnologia da Informação e Comunicação (NICT) e da Universidade de Agricultura e Tecnologia de Tóquio (TUAT) demonstram um Ga vertical 2 O 3 transistor de efeito de campo semicondutor de óxido metálico (MOSFET) que adota um processo totalmente implantado de íons para dopagem tipo n e tipo p, pavimentando o caminho para novas gerações de Ga de baixo custo e altamente manufaturável 2 O 3 dispositivos eletrônicos de potência.
A eletrônica de potência está preocupada com a regulação e conversão de energia elétrica em aplicações como acionamentos de motor, Veículos elétricos, centros de dados, e a grade. Dispositivos eletrônicos de energia, ou seja, retificadores (diodos) e interruptores (transistores), formam os componentes principais dos circuitos eletrônicos de potência. Hoje, dispositivos de energia feitos de silício (Si) são os principais, mas estão se aproximando das limitações de desempenho fundamentais, tornando os sistemas de energia comerciais volumosos e ineficientes. Uma nova geração de dispositivos de energia com base no óxido de gálio semicondutor de largo bandgap (Ga 2 O 3 ) deverá revolucionar a indústria de eletrônicos de potência. Ga 2 O 3 promete reduções dramáticas no tamanho, peso, custo, e consumo de energia de sistemas de potência, aumentando a densidade de potência e a eficiência de conversão de potência no nível do dispositivo.
A demonstração inovadora do primeiro Ga de cristal único 2 O 3 transistor da NICT em 2011 galvanizou intensas atividades de pesquisa internacional na ciência e engenharia deste novo semicondutor de óxido. Nos últimos anos, o desenvolvimento de Ga 2 O 3 transistores se concentrou em uma geometria lateral. Contudo, dispositivos laterais não são receptivos às altas correntes e altas tensões necessárias para muitas aplicações devido às grandes áreas do dispositivo e problemas de confiabilidade decorrentes de autoaquecimento e instabilidades de superfície. Em contraste, a geometria vertical permite drives de corrente mais altos sem ter que aumentar o tamanho do chip, gerenciamento térmico simplificado, e terminação de campo muito superior. As propriedades de uma chave de transistor vertical são projetadas pela introdução de dois tipos de impurezas (dopantes) no semicondutor - dopagem do tipo n, que fornece portadores de carga móvel (elétrons) para transportar corrente elétrica quando o switch está no estado ligado; e dopagem do tipo p, que ativa o bloqueio de tensão quando a chave está no estado desligado. Um grupo do NICT liderado por Masataka Higashiwaki foi o pioneiro no uso de Si como um dopante tipo n em Ga 2 O 3 dispositivos, mas a comunidade há muito luta para identificar um dopante tipo p adequado. No início deste ano, o mesmo grupo publicou sobre a viabilidade do nitrogênio (N) como dopante do tipo p. Sua última realização envolve a integração do doping de Si e N para criar um Ga 2 O 3 transistor pela primeira vez, através de um processo de introdução de dopante de alta energia conhecido como implantação de íons.
Fig. 2 (a) Saída DC e (b) características de transferência do MOSFET Ga2O3 vertical. Crédito:Instituto Nacional de Tecnologia da Informação e Comunicação (NICT)
"Nosso sucesso é um desenvolvimento inovador que promete um impacto transformacional em Ga 2 O 3 tecnologia de dispositivo de energia, "disse Higashiwaki, Diretor do Green ICT Device Advanced Development Center da NICT. "A implantação de íons é uma técnica de fabricação versátil amplamente adotada na produção em massa de dispositivos semicondutores comerciais, como MOSFETs de Si e carboneto de silício (SiC). A demonstração de um Ga vertical totalmente implantado por íons 2 O 3 transistor aumenta muito as perspectivas de Ga 2 O 3 eletrônica de potência baseada em
Este estudo, publicado em 3 de dezembro no IEEE Electron Device Letters como um artigo online de acesso antecipado e programado para aparecer na edição de janeiro de 2019 da revista, baseia-se em um anterior em que um dopante aceitador diferente foi usado. "Investigamos inicialmente o magnésio para dopagem do tipo p, mas este dopante falhou em entregar seu desempenho esperado, uma vez que se difunde significativamente em altas temperaturas de processo, "disse Man Hoi Wong, um pesquisador do Green ICT Device Advanced Development Center e o principal autor do artigo. "Azoto, por outro lado, é muito mais termicamente estável, criando assim oportunidades únicas para projetar e projetar uma variedade de Ga de alta tensão 2 O 3 dispositivos."
A ga 2 O 3 o material de base usado para fabricar o MOSFET vertical foi produzido por uma técnica de crescimento de cristal chamada epitaxia de fase de vapor de haleto (HVPE). Criado pelos Profs. Yoshinao Kumagai e Hisashi Murakami na TUAT, HVPE é capaz de cultivar Ga de cristal único 2 O 3 filmes em alta velocidade e com baixos níveis de impureza. Três etapas de implantação de íons foram realizadas para formar os contatos do tipo n, canal tipo n, e camadas de bloqueio de corrente tipo p (CBLs) no MOSFET. O dispositivo mostrou propriedades elétricas decentes, incluindo uma densidade de corrente ligada de 0,42 kA / cm 2 , uma resistência específica de 31,5 mΩ · cm 2 , e uma alta relação liga / desliga da corrente de drenagem maior do que oito ordens de magnitude. Melhorias adicionais em seu desempenho podem ser prontamente alcançadas com melhor qualidade dielétrica de porta e esquemas de dopagem otimizados.
De acordo com Higashiwaki e Wong, "Dispositivos de energia vertical são os concorrentes mais fortes para combinar correntes acima de 100 A com tensões acima de 1 kV - os requisitos para muitos sistemas de energia elétrica automotivos e industriais de média e alta potência." O impacto tecnológico do Ga 2 O 3 será substancialmente reforçada pela disponibilidade de substratos nativos cultivados por fusão - um dos principais capacitadores da indústria de silício que domina o mercado global de semicondutores com uma receita anual de várias centenas de bilhões de dólares americanos. "A comercialização de dispositivos verticais de SiC e nitreto de gálio (GaN) tem, até certo ponto, prejudicado pelo alto custo dos substratos. Para Ga 2 O 3 , a alta qualidade e o grande tamanho dos substratos nativos oferecem a esta tecnologia emergente uma vantagem de custo única e significativa sobre as tecnologias existentes de SiC e GaN de amplo bandgap, "explicaram os pesquisadores.
