نيتريد الألومنيوم (AlN): تقنية ذات فجوة نطاق واسعة للغاية (UWBG) تشق طريقها بين أقرانها من أشباه موصلات الطاقة

أدى السعي الدؤوب لتحقيق كفاءة أفضل في أنظمة تحويل الطاقة إلى تسريع اعتماد مواد جديدة مثل كربيد السيليكون (SiC) ونيتريد الغاليوم (GaN) التي تعالج سوقًا بمليارات الدولارات يتكون من تطبيقات تركز على البيئة مثل السيارات الكهربائية (EVs). وأنظمة الشحن ومصادر الطاقة المتجددة وما إلى ذلك. إحدى السمات المميزة الرئيسية لكلتا التقنيتين هي فجوة النطاق (أو فجوة الطاقة)، ​​معبرًا عنها بالإلكترون فولت، وهي 3.2 فولت و3.4 فولت لكل من SiC وGaN، على التوالي، أي أكبر بثلاث مرات من تلك الموجودة في التيار السيليكون. من بين المواد ذات فجوة النطاق أعلى بكثير من 5 فولت، وهي UWBG، نجد الماس وأكسيد الغاليوم ونيتريد الألومنيوم ونيتريد البورون المكعب، انظر الجدول 1.

لماذا تعتبر فجوة الطاقة مهمة جدًا؟

ومن المعروف أن فجوة الطاقة تمثل كمية الطاقة التي يجب أن يكتسبها إلكترون في نطاق التكافؤ ليقفز إلى نطاق التوصيل حيث يكون حراً في التحرك تحت مجال كهربائي ويجعل نفسه متاحاً لتوليد تدفق تيار لذا فإن الأجهزة مثل كما يمكن تصنيع الثنائيات والترانزستورات. يمكن للترانزستور ذو فجوة الحزمة العالية أن يتحمل مجالات كهربائية أعلى لأن الروابط الذرية قوية. تؤدي هذه الميزة إلى تقليل المقاومة على الحالة عند الفولتية العالية مقابل السيليكون، مما يقلل بدوره من خسائر التوصيل ويساعد على تحسين الكفاءة. ويرتبط هذا الأداء إلى المجال الكهربائي الحرج المعلمة، انظر الجدول 1، الذي يصل إلى أعلى قيم AlN وc-BN.

في الآونة الأخيرة، ركز الباحثون على أكسيد الغاليوم، والماس، وAlN. وكلها تظهر سمات جذابة، ولكنها تظهر أيضاً نقاط ضعف لا يمكن تجنبها والتي أعاقت حتى الآن تطورها التجاري. ومع ذلك، يبرز AlN كمنافس محتمل للمواد الأخرى، وذلك بفضل التطورات التكنولوجية الحديثة في جامعة ناغويا والتي تم الإبلاغ عنها في أحدث التقارير. IEEE الدولية للأجهزة الإلكترونية (آي دي إم) الحدث الذي عقد في ديسمبر الماضي في سان فرانسيسكو.

حيث يتم استخدام AlN بالفعل اليوم

نيتريد الألومنيوم (AIN) هو مادة غير سامة تستخدم بالفعل بسبب موصليتها الحرارية العالية وخصائص العزل الكهربائي الرائعة. وبصرف النظر عن معامل التمدد الحراري وقدرات العزل الكهربائي، فإن سيراميك AlN مقاوم لهجمات معظم المعادن المنصهرة، مثل النحاس والليثيوم والألمنيوم. AlN عبارة عن مادة خزفية تتكون من 65.81% Al و34.19 N. وبسبب خصائصه، فقد أثبت هذا السيراميك فائدته في العديد من التطبيقات، مثل الإلكترونيات الضوئية التي تعمل عند ترددات الأشعة فوق البنفسجية العميقة. يستخدم نيتريد الألومنيوم أيضًا على نطاق واسع في تطبيقات مثل المبددات الحرارية وموزعات الحرارة، والعوازل الكهربائية، ومعالجة رقائق Si، ومعالجتها، كركائز للحزمة (بدلاً من أكسيد البريليوم عالي السمية وAl).₂يا₃ تسمى الألومينا)، كطبقات عازلة في وسائط التخزين الضوئية، وتغليف الميكروويف، وما إلى ذلك.

AlN كمادة شبه موصلة

تعتمد جميع أشباه الموصلات على المنشطات الكيميائية لعناصر الشوائب لكي تعمل. عندما يتم إدخال مادة المنشطات، يمكن إنشاء أشباه الموصلات من النوع n أو النوع p اعتمادًا على ما إذا كانت هذه الخطوة تنتج فائضًا من حاملات الشحنة السالبة، أو الإلكترونات، أو الشحنات الموجبة المستمدة من نقص الإلكترونات، والتي تسمى الثقوب. تتكون جميع الأجهزة الناجحة المتوفرة في السوق تقريبًا من أشباه الموصلات المشابهة، والموضعة معًا. هيكل أشباه الموصلات البدائي هو تقاطع pn مع محطتين متصلتين أو صمام ثنائي.

هناك بعض أشباه الموصلات المركبة التي تحتوي على عناصر من المجموعة الثالثة والمجموعة الخامسة من الجدول الدوري – على سبيل المثال، نيتريد الغاليوم – والتي تتمتع بخاصية غير عادية ولكن يمكن استغلالها بسهولة. في الواجهة حيث يلتقي اثنان من أشباه الموصلات المحددة، مثل GaN وAlGaN، يمكنهم تلقائيًا توليد غاز إلكترون ثنائي الأبعاد (2DEG) من حاملات الشحنة المتنقلة للغاية، حتى بدون المنشطات الكيميائية. يتمتع النيتروجين بسالبية كهربية أعلى من الغاليوم والألومنيوم مما يتسبب في إزاحة الشحنة الصافية أو الاستقطاب الكهربائي التلقائي، أي مناطق متميزة ذات شحنة معاكسة. علاوة على ذلك، فإن الإجهاد الميكانيكي الناتج عن عدم تطابق الشبكة يسبب استقطابًا إضافيًا عن طريق التأثير الكهرضغطي. وبعبارة أخرى، فإن مثل هذا التأثير يولد شحنات عن طريق إجهاد الشبكة فقط، وهو شكل بديل من المنشطات يسمى المنشطات الاستقطاب. يتفق نوعا الاستقطابات على تكوين شحنة موجبة صافية. لكن بالنسبة لحياد الشحنة، تظهر نفس الكمية من الشحنة السالبة في الواجهة وهي بالضبط الموصلية العالية 2DEG.

تقاطع AlN والمنشطات الناجمة عن الاستقطاب (Pi).

تمت كتابة الورقة المذكورة أعلاه من قبل فريق من سبعة مؤلفين مشاركين، بعضهم من جامعة ناغويا بما في ذلك هيروشي أمانو، الذي فاز بجائزة نوبل في عام 2014 لاختراعه الصمام الأزرق. تصف هذه الورقة تحقيق الصمام الثنائي من خلال تنفيذ تقنية تطعيم الاستقطاب الموزع الخالي من المنشطات في نيتريد الألومنيوم، أو بشكل أكثر دقة، سبيكة من نيتريد الألومنيوم الغاليوم (AlGaN) تتكون من خليط من AlN وGaN. تقنية المنشطات الأساسية هي نظام المنشطات الفريد الناجم عن الاستقطاب (Pi)، والذي يؤدي إلى 2DEG عالي الحركة بدون منشطات شوائب. في الآونة الأخيرة، تم أيضًا الإبلاغ عن وجود غاز ثقب ثنائي الأبعاد (2DHG) في هياكل GaN/AlN غير المنشورة. بالإضافة إلى توليد موجات حاملة ثنائية الأبعاد من انقطاع الاستقطاب عبر واجهة متجانسة، Pi-حجم كبير أو وزعت المنشطات القطبية يمكن أيضًا الحصول على (DPD) لغاز الإلكترون ثلاثي الأبعاد وغاز الثقب ذو التركيز السائب الثابت من تدرج الاستقطاب الثابت في الهياكل المتدرجة خطيًا.

مثل أي صمام ثنائي آخر، يحتوي الجهاز على ص-منطقة مخدرة و ن-مخدر واحد، أو مفرق. بالنسبة لكلا المنطقتين، تم تنفيذ التطعيم باستخدام تقنيات التطعيم بالاستقطاب الموزع. لقد حققوا المختلف ن-النوع و ص– نوع الاستقطابات عن طريق إنشاء تدرج، في كل منطقة من المناطق المنشطات، في النسبة المئوية لـ AlN مقابل GaN في السبيكة. الابتكار الكبير يكمن في حقيقة أن المنشطات موجودة ن-النوع أو ص-النوع يعتمد ببساطة على اتجاه التدرج. أثبت الباحثون أن الصمام الثنائي المبني على سبائك نيتريد الألومنيوم قادر على تحمل مجال كهربائي يبلغ 7.3 ميجا فولت لكل سنتيمتر، أي حوالي ضعف ما هو ممكن مع SiC أو GaN. هذه القيمة مثيرة للإعجاب، لكنها لا تزال بعيدة عن القيمة النظرية التي تبلغ حوالي 15 ميجافولت/سم كما هو موضح في الجدول 1.

خطوات مبسطة لتصنيع الصمام الثنائي

بعد تكوين طبقة AlN غير منشورة وتركيز عالي n⁺-نوع آل_0.7جا_0.3طبقة N على ركيزة AlN (0001) عالية الجودة باستخدام النمو الفوقي لطور البخار العضوي المعدني (MOVPE)، تمت زيادة الكسر المولي (MF) لـ AlN تدريجيًا من 70% إلى 95% في طبقة بسمك 400 نانومتر لتشكيل n -نوع منطقة DPD. بعد ذلك، تم تخفيض MF خطيًا في خطوتين من 95% إلى 70% و30% لتكوين p⁺-نوع منطقة DPD. وأخيرا، تركيز عال ص⁺⁺تم تحقيق طبقة GaN من النوع باستخدام منشطات المغنيسيوم. تم تشكيل أقطاب كهربائية على الجزء العلوي عالي التركيز⁺⁺-نوع طبقة GaN والطبقة السفلية ذات التركيز العالي n⁺-نوع آل_0.7جا_0.3طبقة N لتصنيع الصمام الثنائي تقاطع pn.

والخطوة التالية هي تصنيع صمام ثنائي يحتوي على طبقة من AlN بنسبة 100% عند الوصلة، بدلاً من 95%. وفقًا لبعض الحسابات، فإن طبقة من AlN بسمك 2 ميكرومتر فقط ستكون كافية لحجب جهد كهربائي قدره 3 كيلو فولت. يمكن أيضًا تحسين التوصيل الحراري بشكل كبير باستخدام درجة أعلى من AlN. تعد القدرة على توصيل الحرارة أمرًا حيويًا في تطبيقات إلكترونيات الطاقة، كما أن التوصيل الحراري لسبائك AlGaN متوسط، أقل من 50 واط/م ك (واط لكل متر كلفن). AlN النقي، كما يمكن رؤيته في الجدول 1، يُظهر 319 W/mK، وهو ليس بعيدًا عن 4H-SiC.

التطورات المستقبلية

بعد أن أثبتنا أن الصمام الثنائي العمودي AlN ممكن من خلال عمليات المنشطات الاستقطابية، فإن الخطوة التالية هي تنفيذ ترانزستور عمودي للتنافس مع MOSFETs SiC أو GaN HEMTs. وفقًا لعضو IEEE، تاكيرو كومابي، وهو مؤلف مشارك في ورقة ناغويا، “إن الترانزستورات ثنائية القطبية المتغايرة العمودية القائمة على AlN، والتي تتكون من وصلتين pn وتظهر كفاءة جيدة في الطاقة والمساحة، هي أجهزتنا المستهدفة، وحلمنا، الذي يجب تحقيقه.” ¹ وأضاف كومابي أنه لتحقيق الحلم، هناك حاجة إلى فهم أفضل فيما يتعلق بتنقل الشحنة، وعمر الناقل، والمجال الكهربائي الحرج، والعيوب الجوهرية.

مراجع

¹ الترانزستور الجديد – IEEE Spectrum

The post نيتريد الألومنيوم (AlN): تقنية ذات فجوة نطاق واسعة للغاية (UWBG) تشق طريقها بين أقرانها من أشباه موصلات الطاقة ظهرت لأول مرة على Power Electronics News.