Nieuwe, nieuwe transistor – IEEE Spectrum

Een van de grootste verhalen op het gebied van halfgeleiders in de afgelopen tien jaar is de verrassende verduistering van traditioneel silicium in de vermogenselektronica, waar siliciumcarbide (SiC) en galliumnitride (GaN) voorbij silicium zijn geracet om segmenten van miljarden dollars te veroveren. markten. En toen de reguliere toepassingen op deze nieuwkomers, met hun superieure eigenschappen, terechtkwamen, rees de vraag natuurlijk. Wat zou er gebeuren volgende een nieuwe energiehalfgeleider – een halfgeleider waarvan de superieure capaciteiten een groot marktaandeel van SiC en GaN zouden wegnemen?

De aandacht gaat uit naar drie kandidaten: galliumoxide, diamant en aluminiumnitride (AlN). Ze hebben allemaal uitstekende eigenschappen, maar ook fundamentele zwakheden die tot nu toe commercieel succes in de weg hebben gestaan. Nu zijn de vooruitzichten voor AlN echter enorm verbeterd dankzij verschillende recente ontdekkingen, waaronder een technologische doorbraak aan de Universiteit van Nagoya, gerapporteerd tijdens de laatste IEEE International Electronic Devices Meeting, die afgelopen december in San Francisco werd gehouden.

Hoe haalt aluminiumnitride SiC en GaN in (en vóór?).

Het IEDM-artikel beschrijft de fabricage van een diode op basis van aluminiumnitridelegeringen die in staat zijn een elektrisch veld van 7,3 megavolt per centimeter te weerstaan ​​– ongeveer het dubbele van wat mogelijk is met siliciumcarbide of galliumnitride. Opvallend was dat het apparaat ook een zeer lage stroomgeleidingsweerstand had. “Dit is een spectaculair resultaat”, zegt IEEE Senior Fellow W. Alan Doolittle, hoogleraar elektrische en computertechniek aan Georgia Tech. “Vooral de duurzaamheid van dit ding, die belachelijk goed is.” Het artikel uit Nagoya heeft zeven co-auteurs, waaronder IEEE-lid Hiroshi Amano, die in 2014 de Nobelprijs won voor zijn rol in de uitvinding van de blauwe LED.

“Dit is een nieuw concept in halfgeleiderapparaten.” —Debdeep Jena, Cornell

Aluminiumnitride heeft halfgeleideronderzoekers lange tijd geplaagd. Een van de belangrijkste kenmerken van een energiehalfgeleider is de bandafstand. Het is de energie, uitgedrukt in elektronvolt, die een elektron in een halfgeleiderrooster nodig heeft om van de valentieband naar de geleidingsband te springen, waar het vrij rond het rooster kan bewegen en elektriciteit kan geleiden. In een halfgeleider met een grote bandafstand, zoals galliumnitride (GaN) of siliciumcarbide (SiC), zijn de bindingen tussen atomen sterk. Het materiaal is dus in staat zeer intense elektrische velden te weerstaan ​​voordat de verbindingen kapot gaan en de transistor kapot gaat. Maar beide verbleken in vergelijking met AlN. De bandafstand van AlN is 6,20 elektronvolt; voor GaN is dit 3,40, en voor het meest voorkomende type SiC 3,26.

Een al lang bestaand probleem met AlN is doping, wat de introductie is van onzuiverheden die de halfgeleider een overmatige lading geven, waardoor deze stroom kan geleiden. Strategieën voor chemische doping van AlN zijn pas de afgelopen jaren verschenen, zijn nog niet volledig ontwikkeld en hun effectiviteit is enigszins een controversieel onderwerp onder onderzoekers. Bij doping kan de overtollige lading elektronen zijn, in welk geval de halfgeleider “N-type”, of het kunnen elektronendeficiënties zijn die gaten worden genoemd, in welk geval het “P-jongen.” Bijna alle commercieel succesvolle apparaten zijn samengesteld uit dergelijke gedoteerde halfgeleiders, die met elkaar zijn verbonden.

Maar het blijkt dat doping van onzuiverheden niet de enige manier is om een ​​halfgeleider te doteren. Sommige halfgeleiders die zijn gebaseerd op een verbinding die elementen bevat uit groep III (ook de scandiumgroep) en groep V (de vanadiumgroep) van het periodiek systeem, bijvoorbeeld de verbinding galliumnitride, hebben een ongebruikelijke en opmerkelijke eigenschap. Op het grensvlak waar twee van dergelijke halfgeleiders elkaar ontmoeten, kunnen ze spontaan een tweedimensionale reeks extreem mobiele ladingsdragers genereren, een tweedimensionaal elektronengas genoemd, zelfs zonder chemische doping. Het komt voort uit het interne elektrische veld in het kristal, dat voortkomt uit verschillende attributen. Ten eerste zijn de kristallen van deze III-V-halfgeleiders ongebruikelijk polair: binnen de eenheidscellen van het kristal zijn de wolken van elektronen en positief geladen kernen voldoende ten opzichte van elkaar verschoven om elke cel verschillende negatieve en positieve gebieden (dipolen) te geven. Bovendien is het mogelijk om ladingen te genereren in het kristalrooster van deze halfgeleiders door simpelweg dat rooster uit te rekken, een fenomeen dat piëzo-elektriciteit wordt genoemd.

Het verhaal achter de grote vooruitgang

In het begin van de jaren 2000 profiteerden onderzoekers van de Universiteit van Californië, Santa Barbara van deze kenmerken om een ​​techniek te ontwikkelen die zij gedistribueerde polarisatiedoping noemden. N-typische dotering van bulk (driedimensionaal) galliumnitride zonder onzuiverheden. De groep bestond uit IEEE Fellow Umesh Mishra (nu decaan van engineering aan UCSB) en zijn afgestudeerde studenten Debdeep Jena en Huili (Grace) Xing, beiden nu aan de Cornell University. Jena en Xing, beiden IEEE Fellows, demonstreerden later P-type gedistribueerde polarisatiedoping, in 2010, en vervolgens tweedimensionale gedoteerde gatengassen, in 2018, bij Cornell.

De modernste aluminiumnitridediodes werden getest aan de Universiteit van Nagoya.Universiteit van Nagoya

De Nagoya-groep bouwde voort op deze eerdere prestaties door een gedistribueerde polarisatiedopingtechniek zonder additieven te implementeren in aluminiumnitride – of, preciezer gezegd, een aluminium-gallium-nitride (AlGaN) legering bestaande uit een mengsel van AlN en GaN. Zoals elke diode heeft hun apparaat een P-gedoteerde regio gecombineerd met een N– gedoteerd, met een grens, een zogenaamde junctie, ertussen. Voor beide regio’s werd doping uitgevoerd door middel van gedistribueerde polarisatiedoping. Ze bereikten verschillende polarisaties, N-typ ik P-type, door in elk van de gedoteerde gebieden een gradiënt vast te stellen in het percentage AlN vergeleken met GaN in de legering. Is het doping? N-type of P-type hangt eenvoudigweg af van de richting van de gradiënt.

“In plaats van een uniforme samenstelling van AlGaN te hebben, varieert de samenstelling van aluminium ruimtelijk lineair”, zegt Jena. De P-de gedoteerde laag begint met zuiver galliumnitride aan de zijde grenzend aan het anodecontact. Op weg naar de kruising met Ngedoteerde laag neemt het percentage aluminiumnitride in de AlGaN-legering toe, totdat het precies op de kruising 95 procent AlN bereikt. Doorgaan in dezelfde richting, doorlopen NIn het gedoteerde gebied neemt het percentage AlN af met de afstand tot de kruising, beginnend bij 95 procent en eindigend bij 70 procent AlN waar die laag in contact komt met het zuivere AlN-substraat.

Het uiteindelijke doel is een in de handel verkrijgbare aluminiumnitride-vermogenstransistor die veel beter is dan de bestaande opties, en het werk in Nagoya liet er geen twijfel over bestaan ​​dat dit uiteindelijk zal gebeuren.

“Dit is een nieuw concept op het gebied van halfgeleiderapparaten”, zegt Jena over het Nagoya-apparaat. De volgende stap, zo voegt hij eraan toe, is het produceren van een diode met een laag puur AlN op de kruising, in plaats van 95 procent AlN. Volgens zijn berekeningen zou een laag AlN van slechts twee micron dik voldoende zijn om 3 kilovolt te blokkeren. “Dit is waar het in de nabije toekomst naartoe gaat”, zegt hij.

Bij Georgia Tech is Doolittle het ermee eens dat er nog steeds ruimte is voor enorme verbeteringen door hogere niveaus van pure AlN in toekomstige apparaten op te nemen. Het elektrische doorslagveld van de Nagoya-diode, 7,3 MV/cm, is bijvoorbeeld indrukwekkend, maar het theoretische maximum voor een AlN-apparaat is ongeveer 15. De thermische geleidbaarheid zou ook aanzienlijk worden verbeterd met meer AlN. Het vermogen om warmte te geleiden is van vitaal belang voor een elektrisch apparaat, en de thermische geleidbaarheid van de AlGaN-legering is middelmatig: minder dan 50 watt per meter Kelvin. Aan de andere kant is puur aluminiumnitride zeer respectabel bij 320, tussen GaN bij 250 en SiC bij 490.

Het uiteindelijke doel is een in de handel verkrijgbare AlN-vermogenstransistor die veel beter is dan de bestaande opties, en het werk in Nagoya liet er geen twijfel over bestaan ​​dat dit uiteindelijk zal gebeuren, aldus Jena en Doolittle. “Op dit moment is het gewoon techniek”, zegt Doolittle. Beiden merken op dat de Nagoya-diode een verticaal apparaat is, wat de voorkeursoriëntatie is voor een vermogenshalfgeleider. In een verticaal apparaat stroomt de stroom vanaf het substraat rechtstreeks naar de contacten aan de bovenkant van het apparaat – een configuratie die maximale stroom mogelijk maakt.

De afgelopen jaren zijn minstens een half dozijn op AlN gebaseerde transistors gedemonstreerd, maar geen daarvan was een verticaal apparaat en geen enkele had kenmerken die konden wedijveren met in de handel verkrijgbare GaN- of SiC-transistors. En ze vertrouwden op AlGaN in de belangrijkste apparaatcomponenten.

In een e-mail naar het adres IEEE-spectrumIEEE-lid Takeru Kumabe, co-auteur van het Nagoya-artikel, schreef: “Wij geloven dat het mogelijk is om commercieel concurrerende [power transistors] met behulp van gedistribueerde polarisatie-dopingtechnologie… AlN-gebaseerde verticale heterojunctie bipolaire transistors, bestaande uit twee P–N gewrichten en tonen een goede kracht en efficiëntie op dit gebied, ze zijn ons doelgerichte apparaat, onze droom om uit te komen.”

Kumabe voegde eraan toe dat het team, om die droom te verwezenlijken, zich zal concentreren op een dieper begrip van ladingsmobiliteit, “levensduur van dragers, kritisch elektrisch veld en diepgaande defecten. We moeten ook technologieën voor kristalgroei en apparaatproductie ontwikkelen die hoogwaardige apparaatlagen produceren en minder schade aanrichten tijdens de verwerking.’

“We willen deze problemen binnen drie tot vijf jaar oplossen en in de jaren 2030 op AlN gebaseerde elektrische apparaten op de markt brengen”, zei hij.