Fig. 1 (a) Esquema de sección transversal y (b) micrografía óptica de vista en planta del MOSFET vertical de Ga2O3. Crédito:Instituto Nacional de Tecnología de la Información y las Comunicaciones (NTIC)
Investigadores del Instituto Nacional de Tecnología de la Información y las Comunicaciones (NTIC) y la Universidad de Agricultura y Tecnología de Tokio (TUAT) demuestran una Ga vertical 2 O 3 transistor de efecto de campo semiconductor de óxido de metal (MOSFET) que adopta un proceso implantado completamente de iones para el dopaje de tipo ny tipo p, allanando el camino para las nuevas generaciones de Ga 2 O 3 dispositivos electrónicos de potencia.
La electrónica de potencia se ocupa de la regulación y conversión de energía eléctrica en aplicaciones tales como accionamientos de motores, vehículos eléctricos, centros de datos, y la rejilla. Dispositivos electrónicos de potencia, a saber, rectificadores (diodos) e interruptores (transistores), forman los componentes centrales de los circuitos electrónicos de potencia. Hoy dia, Los dispositivos de potencia hechos de silicio (Si) son la corriente principal, pero se están acercando a las limitaciones fundamentales de rendimiento. haciendo que los sistemas comerciales de energía sean voluminosos e ineficientes. Una nueva generación de dispositivos de potencia basada en el óxido de galio semiconductor de banda ancha ancha (Ga 2 O 3 ) se espera que revolucione la industria de la electrónica de potencia. Georgia 2 O 3 promete reducciones dramáticas en el tamaño, peso, costo, y el consumo de energía de los sistemas de energía aumentando tanto la densidad de energía como la eficiencia de conversión de energía a nivel de dispositivo.
La demostración pionera del primer monocristal Ga 2 O 3 transistor de NICT en 2011 galvanizó intensas actividades de investigación internacional en la ciencia y la ingeniería de este nuevo semiconductor de óxido. Durante los últimos años, el desarrollo de Ga 2 O 3 transistores se ha centrado en una geometría lateral. Sin embargo, Los dispositivos laterales no son adecuados para las altas corrientes y los altos voltajes requeridos para muchas aplicaciones debido a las grandes áreas del dispositivo y los problemas de confiabilidad que surgen del autocalentamiento y las inestabilidades de la superficie. A diferencia de, la geometría vertical permite unidades de corriente más altas sin tener que agrandar el tamaño del chip, gestión térmica simplificada, y terminación de campo muy superior. Las propiedades de un interruptor de transistor vertical se diseñan mediante la introducción de dos tipos de impurezas (dopantes) en el semiconductor:dopaje de tipo n, que proporciona portadores de carga móviles (electrones) para transportar corriente eléctrica cuando el interruptor está encendido; y dopaje tipo p, que habilita el bloqueo de voltaje cuando el interruptor está apagado. Un grupo de NTIC dirigido por Masataka Higashiwaki ha sido pionero en el uso de Si como dopante de tipo n en Ga 2 O 3 dispositivos, pero la comunidad ha luchado durante mucho tiempo para identificar un dopante de tipo p adecuado. A principios de este año, el mismo grupo publicó sobre la viabilidad del nitrógeno (N) como dopante de tipo p. Su último logro consiste en integrar el dopaje de Si y N para diseñar un Ga 2 O 3 transistor por primera vez, a través de un proceso de introducción de dopantes de alta energía conocido como implantación de iones.
Fig. 2 (a) Salida de CC y (b) características de transferencia del MOSFET vertical Ga2O3. Crédito:Instituto Nacional de Tecnología de la Información y las Comunicaciones (NTIC)
"Nuestro éxito es un avance revolucionario que promete un impacto transformador en Ga 2 O 3 tecnología de dispositivos de potencia, "dijo Higashiwaki, Director del Centro de Desarrollo Avanzado de Dispositivos TIC Verdes en NICT. "La implantación de iones es una técnica de fabricación versátil ampliamente adoptada en la producción en masa de dispositivos semiconductores comerciales como los MOSFET de Si y carburo de silicio (SiC). La demostración de un Ga vertical implantado íntegramente con iones 2 O 3 transistor mejora en gran medida las perspectivas de Ga 2 O 3 -Electrónica de potencia basada en ".
Este estudio, publicado el 3 de diciembre en el Cartas de dispositivos electrónicos IEEE como un artículo en línea de acceso anticipado y programado para aparecer en la edición de enero de 2019 de la revista, se basa en uno anterior en el que se utilizó un dopante aceptor diferente. "Inicialmente investigamos el magnesio para el dopaje de tipo p, pero este dopante no logró su desempeño esperado ya que se difunde significativamente a altas temperaturas de proceso, "dijo Man Hoi Wong, investigador del Centro de Desarrollo Avanzado de Dispositivos TIC Verdes y autor principal del artículo. "Nitrógeno, por otra parte, es mucho más estable térmicamente, creando así oportunidades únicas para el diseño y la ingeniería de una variedad de Ga de alto voltaje 2 O 3 dispositivos."
El Ga 2 O 3 El material base utilizado para fabricar el MOSFET vertical se produjo mediante una técnica de crecimiento de cristales llamada epitaxia en fase vapor de haluro (HVPE). Iniciado por los Profs. Yoshinao Kumagai e Hisashi Murakami en TUAT, HVPE es capaz de cultivar Ga monocristalino 2 O 3 películas a altas velocidades y con bajos niveles de impurezas. Se realizaron tres pasos de implantación de iones para formar los contactos de tipo n, canal tipo n, y capas de bloqueo de corriente de tipo p (CBL) en el MOSFET. El dispositivo mostró propiedades eléctricas decentes, incluida una densidad de corriente de 0,42 kA / cm 2 , una resistencia de encendido específica de 31,5 mΩ · cm 2 , y una alta relación de activación / desactivación de corriente de drenaje superior a ocho órdenes de magnitud. Se pueden lograr fácilmente mejoras adicionales en su rendimiento con una calidad dieléctrica de puerta mejorada y esquemas de dopaje optimizados.
Según Higashiwaki y Wong, "Los dispositivos de energía vertical son los competidores más fuertes para combinar corrientes de más de 100 A con voltajes de más de 1 kV, los requisitos para muchos sistemas de energía eléctrica industriales y automotrices de mediana y alta potencia". El impacto tecnológico de Ga 2 O 3 se verá reforzada sustancialmente por la disponibilidad de sustratos nativos cultivados en fusión, uno de los habilitadores clave de la industria del silicio que domina el mercado global de semiconductores con un ingreso anual de varios cientos de miles de millones de dólares estadounidenses. "La comercialización de dispositivos de potencia verticales de SiC y nitruro de galio (GaN) ha, hasta cierto punto, sido obstaculizado por el alto costo de los sustratos. Para Ga 2 O 3 , La alta calidad y el gran tamaño de los sustratos nativos ofrecen a esta tecnología emergente una ventaja de costos única y significativa sobre las tecnologías predominantes de SiC y GaN de banda ancha amplia. "explicaron los investigadores.
