Investigadores del Instituto Nacional de Tecnología de la Información y las Comunicaciones NICT 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 metálico MOSFET que adopta un proceso de implantación total de iones para el dopaje de tipo ny tipo p, allanando el camino para las nuevas generaciones de Ga de bajo costo y altamente fabricable 2 O 3 dispositivos electrónicos de potencia.
La electrónica de potencia se ocupa de la regulación y conversión de la energía eléctrica en aplicaciones tales como accionamientos de motores, vehículos eléctricos, centros de datos y la red. Los dispositivos electrónicos de potencia, a saber, rectificadores diodos e interruptores transistores, forman los componentes centralesde circuitos electrónicos de potencia. En la actualidad, los dispositivos de potencia hechos de silicio Si son la corriente principal, pero se están acercando a las limitaciones de rendimiento fundamentales, lo que hace que los sistemas de potencia comerciales sean voluminosos e ineficientes. Una nueva generación de dispositivos de potencia basados en el semiconductor de banda anchaóxido de galio Ga 2 O 3 : se espera que revolucione la industria de la electrónica de potencia.Georgia 2 O 3 promete reducciones drásticas en el tamaño, peso, costo y consumo de energía de los sistemas de energía al aumentar tanto la densidad de energía como la eficiencia de conversión de energía a nivel del dispositivo.
La demostración pionera del primer monocristal Ga 2 O 3 el transistor de NICT en 2011 impulsó 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 los transistores se han centrado en una geometría lateral. Sin embargo, los dispositivos laterales no son aptos para las altas corrientes y los altos voltajes requeridos para muchas aplicaciones debido a las grandes áreas de dispositivos y los problemas de confiabilidad que surgen del autocalentamiento y las inestabilidades de la superficie. En contraste, el verticalLa geometría 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: tipo ndopaje, que proporciona portadores de carga móviles electrones para transportar corriente eléctrica cuando el interruptor está en el estado encendido; y dopaje de tipo p, que permite el bloqueo de voltaje cuando el interruptor está en el estado apagado. Un grupo en NTIC dirigido porMasataka 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 un dopante de tipo p. Su último logro consiste en integrar Si y Ndopaje 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.
"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 de TIC Ecológicos 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 completamente de iones 2 O 3 el transistor mejora enormemente las perspectivas de Ga 2 O 3 electrónica de potencia basada en "
Este estudio, publicado el 3 de diciembre en Letras de dispositivos electrónicos IEEE como un artículo en línea de acceso temprano 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 fallópara ofrecer su rendimiento esperado, ya que se difunde significativamente a altas temperaturas de proceso ", dijo Man Hoi Wong, investigador del Centro de Desarrollo Avanzado de Dispositivos de TIC Verde y autor principal del artículo." El nitrógeno, por otro lado, es mucho más térmicoestable, 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. Fue pionero en los profesores Yoshinao Kumagai e Hisashi Murakami de TUAT, HVPE es capaz de cultivar Ga monocristalino 2 O 3 películas a altas velocidades y con bajos niveles de impureza. Se realizaron tres pasos de implantación de iones para formar los contactos de tipo n, el canal de tipo n y las capas de bloqueo de corriente CBL de tipo p en el MOSFET.propiedades que incluyen una densidad en corriente de 0,42 kA / cm 2 , una resistencia de encendido específica de 31,5 mΩ · cm 2 , y una relación de activación / desactivación de corriente de drenaje alta superior a ocho órdenes de magnitud. Se pueden lograr fácilmente mejoras adicionales en su rendimiento con una calidad dieléctrica mejorada de la puerta y esquemas de dopaje optimizados.
Según Higashiwaki y Wong, "los dispositivos de potencia 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 eléctricos industriales y automotrices de potencia media y alta". El impacto tecnológicode Ga 2 O 3 se verá reforzado sustancialmente por la disponibilidad de sustratos nativos cultivados en fusión, uno de los habilitadores clave de la industria del silicio que domina el mercado mundial de semiconductores con un ingreso anual de varios cientos de miles de millones de dólares estadounidenses ". La comercialización de SiC vertical yLos dispositivos de energía de nitruro de galio GaN se han visto obstaculizados, hasta cierto punto, 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 que emerge rápidamente una ventaja de costos única y significativa sobre las tecnologías predominantes de SiC y GaN de banda ancha amplia ”, explicaron los investigadores.
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Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Tecnología de la Información y las Comunicaciones NTIC . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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