首先ALN MOSFET展示承諾和挑戰(zhàn)

超寬的帶隙(UWBG)材料可以擴(kuò)大寬帶蓋(WBG)材料(例如碳化硅)(SIC)和氮化碳(GAN)在電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中提供的改進(jìn)范圍。在本文中，我們總結(jié)了基于UWBG鋁(ALN)的MOSFET設(shè)備的最初初始演示 。開(kāi)創(chuàng)性的工作突出了在電力轉(zhuǎn)換應(yīng)用中使用該材料的一些承諾和挑戰(zhàn)。

UWBG材料

需要數(shù)十年的研發(fā)才能成功地將新的材料系統(tǒng)商業(yè)化。 UWBG材料處于這項(xiàng)工作的初始階段。這些材料比傳統(tǒng)硅(SI)和WBG材料提供的理論優(yōu)勢(shì)可以證明它們?cè)趧?chuàng)建功能設(shè)備中所帶來(lái)的眾多障礙。

當(dāng)前正在研究的UWBG材料的特征是帶隙超過(guò)4個(gè)，關(guān)鍵擊穿場(chǎng)可能是WBG材料提供的2到5倍。這些材料可以在超高電壓和溫度環(huán)境中提供顯著優(yōu)勢(shì)，以及啟用應(yīng)用，例如光子和柔性集成電路，超輻射電阻等等。

作為對(duì)功率轉(zhuǎn)換中常用的優(yōu)點(diǎn)(FOM)的自然發(fā)展，UWBG材料的理論優(yōu)勢(shì)可以生產(chǎn)具有較低特異性的耐藥性(R ON)的設(shè)備，以進(jìn)行給定的故障電壓(V BR)或較小的對(duì)話同一r的死區(qū)域。這會(huì)導(dǎo)致較小的電容，從而走向更快的切換途徑。更快的切換又有助于減少轉(zhuǎn)換器中的被動(dòng)組件并提高其功率密度。

?-GA 2 O 3， Diamond和Aln是正在研究的一些最有希望的UWBG材料。表1列出了其中的一些屬性，并將其與SI和WBG材料進(jìn)行了比較。

表1：UWBG，SI和WBG材料的某些特性

現(xiàn)在讓我們討論制造基于ALN的電源設(shè)備所涉及的一些挑戰(zhàn)。

Aln Power設(shè)備

高帶隙和導(dǎo)熱率是ALN的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。此外，直接的帶隙和輻射公差為其在光子集成電路和極端環(huán)境電子中的使用創(chuàng)造了潛力。但是存在幾個(gè)挑戰(zhàn)，其中一些列出了下面：

· 底物和生長(zhǎng)：ALN具有3個(gè)晶體結(jié)構(gòu)，由于相對(duì)容易的生長(zhǎng)機(jī)制，六角形排列最廣泛。 ALN晶體具有2800°C的高熔點(diǎn)和高脫離的壓力，使標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)(例如熱熔體)變得困難。物理蒸氣轉(zhuǎn)運(yùn)(PVT)已用于生長(zhǎng)散裝ALN晶體，位錯(cuò)密度低于10 4 /cm2，但尺寸約為50 mm或更小。 缺乏可行的天然基材使得難以制造垂直電源設(shè)備。藍(lán)寶石底物上的外延ALN生長(zhǎng)提供了低成本的方法，但是螺紋脫位密度可以產(chǎn)生載體補(bǔ)償并增加泄漏。具有金屬有機(jī)化學(xué)蒸氣沉積(MOCVD)的外延過(guò)度生長(zhǎng)(ELO)以及具有高溫退火的脈沖濺射沉積(PSD)是減少這些缺陷的有前途的方法。

· 摻雜和接觸形成：ALN中N型SI供體的電離能量超過(guò)250 mV。這與較高興奮劑水平的供體補(bǔ)償相同，很難實(shí)現(xiàn)良好的歐姆接觸。例如，在1×10 19 /cm 3的Si摻雜濃度下，在室溫下在ALN中占1×10 17 /cm 3 。這個(gè)問(wèn)題也可以在鉆石中看到，這使得對(duì)v BR度量的R與理想的，全能電離估計(jì)值的吸引力要低得多。

ALN MOSFET的演示

在第一次展示ALN MOSFET時(shí)，作者最初著重于提高N摻雜ALN的接觸性。由Ti/al/ti/au組成的金屬堆棧被濺射到藍(lán)寶石上的MOCVD生長(zhǎng)的Aln上，形成圓形傳輸線(CTLM)模式。生長(zhǎng)的Si摻雜濃度為4.5 x 10 18 /cm 3。在750°C至950°C的溫度下，將觸點(diǎn)在N 2環(huán)境中退火。

所有接觸均顯示出非歐味的行為，表明N-ALN和金屬接觸之間存在障礙。對(duì)超過(guò)10 V的準(zhǔn)線性區(qū)域的分析表明，950°C退火產(chǎn)生的最低特異性接觸電阻為0.148Ω-CM 2，以及16.5mΩ/sq的板電阻。該條件用于MOSFET的源/排水接觸形成。 MOSFET的示意圖橫截面如圖1所示。

這些設(shè)備最初是通過(guò)等離子體蝕刻來(lái)分離的。在源/排水金屬化和退火之后，將250 nm厚的N-ALN頂層嵌入170 nm，并將30 nm厚的氧化鋁(Al 2 O 3)柵極介電沉積并進(jìn)行圖案。最終形成了PT/AU門(mén)金屬。 MOSFET的柵極長(zhǎng)度為20μm，通道寬度為400μm，柵極凹陷寬度為10μm。

圖1：基于ALN的MOSFET的橫截面示意圖

MOSFET是耗盡模式(D模式)，閾值電壓V Th為-10.91 V，高閾值斜率為7.92 V/十年，表明較高的陷阱狀態(tài)密度?；诳傠娮栌?jì)算，據(jù)估計(jì)，通道電阻有助于制造設(shè)備的抗性大部分，該設(shè)備的抗性為3.65MΩ-mm。這可以通過(guò)設(shè)備縮放和設(shè)計(jì)改進(jìn)來(lái)優(yōu)化。設(shè)備的傳輸特性如圖2所示。

在較高的排水偏見(jiàn)下增加的陽(yáng)離子電流歸因于半構(gòu)造的ALN層中的身體泄漏，可能是由于缺陷而產(chǎn)生的。獲得2.06 x 10 2的ON/OFF電流比。當(dāng)創(chuàng)建首選增強(qiáng)模式設(shè)備時(shí)，可以降低此ON/OFF比率，這可能指出在實(shí)際功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中使用cascode配置與D模式設(shè)備一起使用。該橫向裝置的擊穿電壓由門(mén)/排水間距確定，并在250 V左右測(cè)量，對(duì)應(yīng)于0.5 mV/cm的場(chǎng)。將通道的遷移率提取到2.95 cm 2 /v·S，遠(yuǎn)低于大量N-ALN膜進(jìn)行的測(cè)量。

圖2：基于ALN的MOSFET的傳輸曲線

結(jié)論

在這項(xiàng)工作中強(qiáng)調(diào)了創(chuàng)建可行的Aln MOSFET的一些挑戰(zhàn)。泄漏，通道遷移率和阻力的改善將創(chuàng)造前進(jìn)的路徑。有效的P型摻雜還可以在設(shè)備體系結(jié)構(gòu)選項(xiàng)中進(jìn)行更大的選擇。分級(jí)的Al X Ga Y N設(shè)備可以改善某些約束，并在包括SIC和SI在內(nèi)的各種底物上創(chuàng)建高質(zhì)量的膠片方面有更多的經(jīng)驗(yàn)。 ALN與?-GA2O3和Diamond一起仍處于UWBG設(shè)備探索的早期階段，并且隨著更多努力的發(fā)展，預(yù)計(jì)將來(lái)會(huì)有許多突破。