Des chercheurs de l'Institut national des technologies de l'information et des communications (NTIC) et de l'Université d'agriculture et de technologie de Tokyo (TUAT) démontrent un Ga vertical 2 O 3 transistor à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur (MOSFET) qui adopte un processus d'implantation tout ionique pour le dopage de type n et de type p, ouvrant la voie à de nouvelles générations de Ga à faible coût et hautement manufacturables 2 O 3 appareils électroniques de puissance.

L'électronique de puissance s'occupe de la régulation et de la conversion de l'énergie électrique dans des applications telles que les entraînements de moteurs, véhicules électriques, centres de données, et la grille. Appareils électroniques de puissance, à savoir redresseurs (diodes) et interrupteurs (transistors), constituent les composants de base des circuits électroniques de puissance. Aujourd'hui, les dispositifs d'alimentation en silicium (Si) sont le courant dominant, mais ils approchent des limites de performances fondamentales, rendant les systèmes électriques commerciaux encombrants et inefficaces. Une nouvelle génération de dispositifs d'alimentation basée sur l'oxyde de gallium semi-conducteur à large bande interdite (Ga 2 O 3 ) devrait révolutionner l'industrie de l'électronique de puissance. Géorgie 2 O 3 promet des réductions spectaculaires de la taille, poids, Coût, et la consommation d'énergie des systèmes d'alimentation en augmentant à la fois la densité de puissance et l'efficacité de conversion de puissance au niveau de l'appareil.

La démonstration révolutionnaire du premier monocristal Ga 2 O 3 transistor by NTIC en 2011 a galvanisé des activités de recherche internationales intensives sur la science et l'ingénierie de ce nouvel oxyde semi-conducteur. Depuis plusieurs années, le développement de Ga 2 O 3 transistors s'est concentré sur une géométrie latérale. Cependant, les dispositifs latéraux ne sont pas adaptés aux courants élevés et aux tensions élevées requis pour de nombreuses applications en raison des grandes surfaces des dispositifs et des problèmes de fiabilité résultant de l'auto-échauffement et des instabilités de surface. En revanche, la géométrie verticale permet des entraînements à courant plus élevé sans avoir à agrandir la taille de la puce, gestion thermique simplifiée, et une terminaison de champ bien supérieure. Les propriétés d'un commutateur à transistor vertical sont conçues en introduisant deux types d'impuretés (dopants) dans le semi-conducteur :le dopage de type n, qui fournit des porteurs de charge mobiles (électrons) pour transporter le courant électrique lorsque le commutateur est à l'état passant ; et le dopage de type p, qui permet le blocage de la tension lorsque l'interrupteur est à l'état bloqué. Un groupe aux NTIC dirigé par Masataka Higashiwaki a été le premier à utiliser le Si comme dopant de type n dans Ga 2 O 3 dispositifs, mais la communauté a longtemps lutté pour identifier un dopant de type p approprié. Plus tôt cette année, le même groupe a publié sur la faisabilité de l'azote (N) comme dopant de type p. Leur dernière réalisation consiste à intégrer le dopage Si et N pour concevoir un Ga 2 O 3 transistor pour la première fois, par un processus d'introduction de dopant à haute énergie connu sous le nom d'implantation ionique.

"Notre succès est un développement révolutionnaire qui promet un impact transformationnel sur Ga 2 O 3 technologie de dispositif d'alimentation, " dit Higashiwaki, Directeur du Green ICT Device Advanced Development Center aux NTIC. « L'implantation ionique est une technique de fabrication polyvalente largement adoptée dans la production en série de dispositifs commerciaux à semi-conducteurs tels que les MOSFET au Si et au carbure de silicium (SiC). La démonstration d'un Ga vertical implanté tout ionique 2 O 3 transistor améliore considérablement les perspectives de Ga 2 O 3 électronique de puissance."

Cette étude, publié le 3 décembre dans le Lettres de périphérique électronique IEEE en tant qu'article en ligne à accès anticipé et dont la parution est prévue dans le numéro de janvier 2019 de la revue, s'appuie sur un précédent dans lequel un dopant accepteur différent a été utilisé. "Nous avons d'abord étudié le magnésium pour le dopage de type p, mais ce dopant n'a pas fourni les performances attendues car il diffuse de manière significative à des températures de traitement élevées, " dit Man Hoi Wong, un chercheur du Green ICT Device Advanced Development Center et l'auteur principal de l'article. "Azote, d'autre part, est beaucoup plus stable thermiquement, créant ainsi des opportunités uniques pour la conception et l'ingénierie d'une variété de Ga haute tension 2 O 3 dispositifs."

Le Ga 2 O 3 Le matériau de base utilisé pour fabriquer le MOSFET vertical a été produit par une technique de croissance cristalline appelée épitaxie en phase vapeur aux halogénures (HVPE). Initié par les Profs. Yoshinao Kumagai et Hisashi Murakami au TUAT, HVPE est capable de cultiver du Ga monocristallin 2 O 3 films à grande vitesse et avec de faibles niveaux d'impuretés. Trois étapes d'implantation ionique ont été réalisées pour former les contacts de type n, canal de type n, et des couches de blocage de courant de type p (CBL) dans le MOSFET. L'appareil a montré des propriétés électriques décentes, y compris une densité de courant de 0,42 kA/cm ² , une résistance spécifique de 31,5 mΩ·cm ² , et un rapport marche/arrêt du courant de drain élevé supérieur à huit ordres de grandeur. D'autres améliorations de ses performances peuvent être facilement obtenues avec une qualité diélectrique de grille améliorée et des schémas de dopage optimisés.

Selon Higashiwaki et Wong, « Les dispositifs d'alimentation verticaux sont les concurrents les plus puissants pour combiner des courants supérieurs à 100 A avec des tensions supérieures à 1 kV, les exigences de nombreux systèmes d'alimentation électrique industriels et automobiles de moyenne et haute puissance. » L'impact technologique du Ga 2 O 3 sera considérablement renforcée par la disponibilité de substrats natifs cultivés en fusion, l'un des principaux catalyseurs de l'industrie du silicium qui domine le marché mondial des semi-conducteurs avec un chiffre d'affaires annuel de plusieurs centaines de milliards de dollars américains. « La commercialisation de dispositifs d'alimentation verticaux au SiC et au nitrure de gallium (GaN) a, dans une certaine mesure, été entravée par le coût élevé des substrats. Pour Ga 2 O 3 , la haute qualité et la grande taille des substrats natifs offrent à cette technologie émergente rapidement un avantage de coût unique et significatif par rapport aux technologies SiC et GaN à large bande interdite en place, ", ont expliqué les chercheurs.