Het zijn piekmomenten in de vermogenselektronica. Na decennia van siliciumdominantie zijn twee nieuwere materialen – siliciumcarbide en galliumnitride – begonnen markten van miljarden dollars over te nemen. Siliciumcarbide is nu de halfgeleider bij uitstek voor bijvoorbeeld omvormers en laders in elektrische voertuigen. En als u onlangs een wandlader voor uw smartphone of laptop heeft aangeschaft, is de kans groot dat deze galliumnitride gebruikt.
Nieuwere materialen, bekend als halfgeleiders met een brede bandafstand, nemen deze en andere toepassingen in de vermogenselektronica over, omdat ze veel superieure eigenschappen bieden. En toch hebben breedbandtechnologieën nog steeds fundamentele zwakheden. Voor een siliciumcarbide-transistor is de relatief lage mobiliteit van elektronen in het kanaal (het gebied onder de poort van het apparaat waardoor stroom vloeit tussen source en drain) groot. Deze lage mobiliteit verhindert dat SiC-transistors met hoge snelheid schakelen. Dit beperkt op zijn beurt hun effectiviteit in toepassingen zoals het omzetten tussen wisselstroom en gelijkstroom. Galliumnitride-transistors hebben daarentegen een eigenschap die bekend staat als “dynamische aan-weerstand”, wat betekent dat wanneer een apparaat stroom geleidt, de weerstand van het apparaat afhangt van de spanning – een hogere spanning betekent een hogere weerstand. Een ander probleem met GaN is dat naarmate de fysieke omvang van het apparaat, en dus de kosten, ook het vermogen om spanningen te blokkeren toeneemt, een belangrijke mogelijkheid voor apparaten die naar verwachting spanningen zullen in- en uitschakelen die vele malen hoger zijn dan die in het apparaat, bijvoorbeeld , een typische computer.
Wat als je GaN en SiC zou kunnen combineren in één enkel apparaat dat de zwakke punten van elk apparaat minimaliseert en hun sterke punten maximaliseert? Dat is de vraag die een team van zestien onderzoekers van de Hong Kong University of Science and Technology en drie andere instellingen in China heeft doen rijzen. Na jaren van werk zijn ze er eindelijk in geslaagd een transistor te maken, die ze de Hybrid Field-Effect Transistor of HyFET noemden. Ze beschreven hun werk in een paper gepresenteerd op de IEEE International Meeting on Electronic Devices, afgelopen december gehouden in San Francisco.
Een scanning-elektronenmicroscoop (SEM)-afbeelding van de HyFET, neerkijkend in het apparaat [a], toont duidelijk de poort en de bron. SEM-afbeelding van een dwarsdoorsnede van een HyFET [b] toont een galliumnitride-transistor bovenaan en siliciumcarbide hieronder. Andere SEM-afbeeldingen tonen het poortgebied van het GaN-apparaat [c]en SiC-transistorkanaal [d and e]. Universiteit voor Wetenschap en Technologie van Hong Kong
Experts op het gebied van breedbandhalfgeleiders die niet bij het onderzoek betrokken waren, waren onder de indruk van de technische prestatie. “Ik ben eigenlijk heel enthousiast over de resultaten van de groep van Kevin Chen in Hong Kong”, zegt IEEE Fellow Debdeep Jena, professor en laboratoriumleider aan de Cornell University. “Het heeft veel verdienste en belofte.” De meningen van deze experts over de commerciële vooruitzichten van dit apparaat waren echter over het algemeen voorzichtiger.
Tijdens bedrijf gebruikt het apparaat een laagspannings-, hogesnelheids-GaN-transistor om een hoogspannings-SiC-junctie-veldeffecttransistor (JFET) te besturen. Bij een conventionele SiC JFET bevindt de afvoer zich aan de onderkant van het apparaat, verbonden met het substraat. De stroom vloeit verticaal, bestuurd door een poort aan de bovenkant van het apparaat, door een ‘driftlaag’ naar een of meer bronterminals, ook aan de bovenkant van het apparaat. Bij een hybride FET is die basisconfiguratie herkenbaar: onderin het apparaat zit een drain, aangesloten op het substraat. De stroom vloeit naar boven door de SiC-driftlaag. De gate- en source-terminals bevinden zich echter in een GaN-transistor die direct boven de SiC JFET is geïntegreerd, bovenop het apparaat. De stroom die door de SiC JFET vloeit, wordt dus bestuurd door de poort- en bronterminals die zich in het GaN-gedeelte van het apparaat bevinden.
Het voordeel is dat de GaN-transistor, met zijn hoge elektronenmobiliteit, het schakelen van het combinatieapparaat regelt. Gebouwd op een SiC JFET, met zijn grote driftgebied, heeft het gecombineerde apparaat dezelfde spanningsblokkeringsmogelijkheden als SiC. Uit tests bleek dat het apparaat grotendeels voldeed aan de verwachtingen van de onderzoekers. Hoewel de mobiliteit niet zo hoog is als die van een conventioneel GaN-apparaat, “is het geschikt voor hoogfrequent schakelen”, ontdekten ze. Ze toonden ook aan dat het apparaat in de “uit”-stand ongeveer 600 volt kan blokkeren, afhankelijk van de temperatuur – niet slecht voor het eerste experimentele apparaat in zijn soort.
Er moesten veel uitdagingen worden overwonnen om het apparaat te produceren. Een van de belangrijkste was het rechtstreeks op een SiC-transistor laten groeien van een GaN-transistor. Galliumnitride-apparaten worden routinematig vervaardigd op SiC-substraten. Deze apparaten worden echter ‘op de as’ gegroeid, wat betekent dat ze laag voor laag worden gegroeid, waarbij elke laag evenwijdig aan het substraat is. Maar SiC-apparaten worden meestal gekweekt uit assen ten opzichte van de kristalroosteroriëntatie van hun substraat. De onderzoekers moesten dus een manier bedenken om GaN-transistors bovenop het SiC-apparaat te laten groeien met een off-axis, of ‘miscut’, van 4 graden.
Om dit te doen, ontwikkelden ze een techniek die ze ‘tweetraps biaxiale trekontlasting’ noemen. Het fundamentele probleem met het grensvlak tussen twee ongelijksoortige halfgeleiders is de spanning die ontstaat op het grensvlak waar de twee ongelijksoortige kristallen elkaar ontmoeten. Deze vervorming kan prestatieverminderende onvolkomenheden in het rooster veroorzaken die dislocaties worden genoemd. De door de onderzoekers verfijnde en geëxploiteerde techniek verlicht stress via twee specifieke soorten dislocaties, waardoor de schadelijke effecten ervan worden geminimaliseerd.
Een van de zwakke punten van de hybride FET is de weerstand tegen stroom als de transistor aan staat. Deze waarde, genaamd RHijis vrij hoog, ongeveer 50 megaohm per cm2. Senior RHij betekent minder algehele efficiëntie. Uiteraard is de hybride FET letterlijk de eerste in zijn soort, gebouwd in een universitair laboratorium.
“De grote RHij in ons werk is het resultaat van een klein apparaat … en een zeer conservatief ontwerp in het SiC-gedeelte”, schreef auteur en IEEE Fellow Kevin Chen in een e-mail. “Over het algemeen zijn er geen extra obstakels voor de realisatie van 3 mΩ∙cm2 (~2,6) voor 1200 V HyFET met industriële SiC-productiecapaciteit.”
Scanning-elektronenbeelden tonen een gat of doorgang in het galliumnitridegedeelte van het apparaat [a]. Wanneer gevuld met metaal [c]Deze via’s worden geleidende paden waardoor stroom kan stromen tussen de galliumnitride- en siliciumcarbidedelen van het apparaat. Afbeelding gemaakt met atoomkrachtmicroscopie [b] toont het oppervlak van de siliciumcarbidelaag.Universiteit voor Wetenschap en Technologie van Hong Kong
Ter vergelijking: een ultramoderne SiC- of GaN-transistor die meer dan 600 volt kan blokkeren, kan echter R hebbenHij slechts 2 mΩ∙cm2, merkt IEEE Life Fellow B. Jayant Baliga op, uitvinder van de bipolaire transistor met geïsoleerde poort en vooraanstaande universiteitsprofessor elektrotechniek aan de North Carolina State University. Gezien deze cijfers vraagt Baliga zich af hoeveel vraag er zou zijn naar een commerciële hybride FET, wanneer er veel eenvoudigere en waarschijnlijk goedkopere SiC-transistors beschikbaar zouden zijn. “Wat zou iemand motiveren om over te schakelen naar iets veel ingewikkelders, terwijl al deze lagen gegroeid zijn, als de specifieke weerstand niet afneemt onder de siliciumcarbide MOSFET?” (Metal Oxide Semiconductor FET), vroeg Baliga.
IEEE Fellow Umesh Mishra, decaan van de School of Engineering aan de Universiteit van Californië in Santa Barbara en een pionier op het gebied van GaN-stroomapparaten, vroeg zich af of de voordelen van het integreren van twee verschillende halfgeleiders in één apparaat (kleine inductieve vertragingen en capacitieve verliezen) de kosten waard waren van de complexiteit van de productie en andere factoren. Om zo’n apparaat te produceren, heeft het bedrijf “nu twee technologieën nodig die het in de fabriek gebruikt”, merkt hij op. “Ze moeten over siliciumcarbidetechnologie beschikken, en ze moeten over galliumnitridetechnologie beschikken. Niemand wil dat doen, omdat je nu twee ingewikkelde technologieën tegelijkertijd probeert te gebruiken” – een dure aangelegenheid.
“Iets moeilijks bereiken is altijd moeilijk”, voegt Mishra toe. “Dan is de vraag: wat is jouw voordeel?” Mishra merkt op dat de meeste voordelen van een gecombineerd apparaat tegen veel lagere kosten kunnen worden verkregen door simpelweg twee verschillende transistors in één pakket met elkaar te verbinden, in plaats van ze te integreren in een enkele hybride. apparaat.
Auteur Chen suggereerde echter dat ongewenste elektronische kenmerken, met name een zwakte die parasitaire inductie wordt genoemd, transistors zouden teisteren die eenvoudigweg in elkaar waren verpakt in plaats van geïntegreerd. “Een lagere parasitaire inductie minimaliseert schakeloscillaties en vermindert schakelverliezen”, schreef hij in zijn e-mail. “Geavanceerde co-verpakkingstechnieken kunnen de parasitaire inductie tot op zekere hoogte verminderen, maar zijn mogelijk niet zo kosteneffectief als een geïntegreerd apparaat (gerealiseerd in een serieproces).”
Jena van Cornell merkte op dat een potentieel onoverkomelijke hindernis voor de hybride FET vooral de snelheid van de vooruitgang van GaN-apparaten is. In de nabije toekomst, zegt hij, zal GaN zo capabel worden dat er waarschijnlijk geen hybride plannen meer nodig zijn om te kunnen zegevieren. “De natuurkunde vertelt me dat GaN op de lange termijn de winnaar is”, zegt hij. “Ik wil niets wegnemen [Hybrid FET] papier. Het is een geweldig papier. Maar alles wat ze hier lieten zien, zal in de toekomst mogelijk zijn met galliumnitride”, besluit hij.