أجهزة أكسيد الغاليوم عالية الجهد تظهر نتائج واعدة

تتمتع أشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة الواسعة للغاية (UWBG) بخصائص مادية جوهرية متفوقة مقارنة بالسيليكون ومواد WBG مثل كربيد السيليكون ونيتريد الغاليوم. من بين مواد UWBG المختلفة، يظهر أكسيد الغاليوم وعدًا متزايدًا للاستخدام المستقبلي في إلكترونيات الطاقة عالية الجهد. تلخص هذه المقالة بعض الخصائص الجوهرية لهذه المادة وتعرض بعض التطورات الحديثة في الأجهزة ذات الجهد العالي. ويستند إلى ندوة عبر الإنترنت حول PSMA قدمها أوتام سينجيسيتي، أستاذ الهندسة الكهربائية في جامعة بوفالو.

خصائص المواد الجوهرية لأكسيد الغاليوم

المرحلة بيتا من أكسيد الغاليوم (ß-Ga₂يا₃) برز كمرشح رئيسي للتقييم كاختيار لمواد UWBG. عدة عوامل تلعب في هذا. يسرد الجدول 1 بعض خصائص المواد الأساسية للسيليكون وSiC وGaN وß-Ga₂يا₃.

تعد فجوة النطاق الأعلى وقوة المجال الكهربائي من مميزات ß-Ga₂يا_3. يسمح ذلك بتوسيع نطاق الأجهزة بشكل أكثر كفاءة في أجهزة الطاقة ذات الجهد العالي ويمكن أن يؤدي بالتالي إلى تحسين المقاييس لكل من خسائر التوصيل والتبديل. يُستخدم رقم الجدارة المثالي لـ Baliga (BFOM) الموضح في الجدول 1 بشكل شائع لوصف المفاضلة بين خسارة المقاومة على الحالة ومجال الانهيار. لكن هذا لا يشمل عاملين مهمين:

• التأين غير الكامل من المنشطات
• الشوائب الخلفية في ركائز

يعد توفر المنشطات الضحلة عامل تمكين رئيسي في تحقيق الأداء بالقرب من حدود BFOM النظرية. ومع ذلك، فإن مواد UWBG يمكن أن تعاني من نقص مثل هذه المنشطات. في حالة نيتريد الألومنيوم (AlN) والماس، فإن طاقات التأين عالية الإشابة تجعل من الصعب تحقيق مستويات عالية من المنشطات المنشطة بشكل فعال، خاصة في درجة حرارة الغرفة. وهذا يؤدي إلى انخفاض الموصلية الكهربائية. لحسن الحظ، ß-Ga₂يا₃يحتوي على منشطات ضحلة من النوع n (القصدير والسيليكون).

يمكن لحالات الشوائب داخل فجوة النطاق أن تعوض بشكل أكبر عن كثافات المنشطات وتؤدي إلى تدهور أداء الجهاز. يمكن أن تكون مستويات الشوائب أعلى بكثير في مواد UWBG مقارنة بالسيليكون. يعاني كل من AlN والماس من هذا التأثير، حيث يمكن أن تتراوح التركيزات الخلفية إلى 1e16/cm³ يتراوح. في مواد WBG، يعاني GaN أيضًا من تركيزات خلفية ضعيفة نسبيًا تزيد عن 1e15/cm³. ß-جا₂يا₃مرة أخرى يتمتع بميزة هنا، حيث يؤدي التقدم في نمو الفوقية والركيزة إلى تركيزات شحن خلفية أقل من 1e15/سم³. من الأمثلة الجيدة على أهمية المنشطات الخلفية المنخفضة وفجوة النطاق العالية هو IGBT السيليكون المقدر بـ 6.5 كيلو فولت والذي سيحتاج إلى حد أدنى لسمك جهد الحجب يبلغ 220 ميكرومتر وشوائب خلفية أقل من 4e13 / سم³، وهو أمر يصعب تحقيقه وسيؤدي بأي شكل من الأشكال إلى مستوى عالٍ جدًا من R_{DS (على)}بينما ß-Ga₂يا₃سوف تحتاج فقط إلى طبقة حجب بسماكة 8 ميكرومتر مع تركيز منشط صافي يبلغ 3e16/cm³.¹

يوضح الشكل 1. مقارنات BFOM المعدلة التي تأخذ هذه التأثيرات المذكورة أعلاه في الاعتبار. توضح هذه المؤامرات ميزة ß-Ga₂يا₃على المواد الأخرى، وخاصة عند معدلات الجهد فوق 1 كيلو فولت.

نمو الركيزة

ركائز عالية الجودة من ß-Ga₂يا₃بتكاليف منخفضة نسبيًا ممكنة مع نمو الذوبان، على غرار السيليكون. وهذه ميزة رئيسية مقارنة بمواد WBG مثل SiC، والتي تحتاج إلى استخدام طرق التسامي المكلفة. مثال على شركة تقوم بتصنيع 100 ملم ß-Ga₂يا₃الركائز هي Novel Crystal Technology، ومقرها في اليابان.

ß-جا₂يا₃ أجهزة الجهد العالي

دعونا الآن نلقي نظرة على بعض الأعمال التي قامت بها مجموعة Singisetti وآخرون في إنشاء ß-Ga₂يا₃أجهزة الطاقة ذات الجهد العالي. تم استخدام العديد من المواد العازلة ذات الطبقة الذرية (ALD) كعازل كهربائي للبوابة لإنشاء أجهزة MOSFET ذات قناة n جانبية. ثاني أكسيد السيليكون (SiO₂) هو مرشح واعد، مع إزاحة نطاق توصيل كبيرة وحالات واجهة منخفضة في درجة حرارة الغرفة. أظهرت الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) الأولية التي تم إنشاؤها انهيارًا خارج منطقة القناة. أشار تحليل الفشل إلى الحقول العالية في الهواء فوق منطقة لوحة البوابة (GFP). استخدام عازل لوحي مركب (يشتمل على PECVD وALD SiO₂) ، أدت قناة MBE غائرة وفيلم تخميل بوليمر إيبوكسي عالي القوة (SU-8) فوق GFP إلى ظهور دوائر MOSFET ذات أعلى جهد انهيار مُبلغ عنه (BV) يزيد عن 8 كيلو فولت في MOSFETs الجانبية.² أظهر هذا العمل أن تقنيات الإدارة الميدانية حاسمة. يظهر الشكل 2 مقطعًا تخطيطيًا ومنحنيات BV لهذا الجهاز.

لا تزال هذه الأجهزة تعاني من ضعف R_{DS (على)}. لقد وجد أن التلدين الفراغي بعد حفر RIE أدى إلى استعادة الضرر وتحسين R_{DS (على)}، دون التأثير على BV.

لقد أظهرت أجهزة MESFET المزودة ببوابة شوتكي نتائج واعدة. الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) بقدرة 4.4 كيلو فولت مع قوة FOM (بفوم = بي.في² ÷ ر_{DS (على)}) تتجاوز 100 ميغا فولت/سم² ومحددة ر_{DS (على)} ≈ 20 أوم ملم² تم إثباتها باستخدام عازل تخميل نيتريد السيليكون.3 في حين أن هذا PFOM كان أفضل بكثير من الرقم الذي يمكن تحقيقه نظريًا باستخدام السيليكون، إلا أنه لا يزال أقل بكثير من ß-Ga₂يا₃الحدود النظرية . أظهر استخدام تقنيات النمو الفوقي المحسنة وبنية FINFET MESFET حركية إلكترونية تبلغ 184 سم²/ضد. حقق هذا الجهاز بقدرة 4.4 كيلو فولت، والذي يستخدم 25 زعنفة بعرض 1.2 إلى 1.5 ميكرومتر، رقمًا قياسيًا في PFOM قدره 0.95 جيجاوات/سم².⁴

عملية درجة حرارة عالية

كما هو مبين في الجدول 1، ß-Ga₂يا₃يعاني من ضعف التوصيل الحراري. وهذا يمكن أن يشكل عبئًا على متطلبات التبريد في التطبيقات عالية الطاقة. ومع ذلك، فإن بعض المزايا الجوهرية تساعد ß-Ga₂يا₃أداء جيد في درجات حرارة عالية. تتيح كثافة الحامل الجوهرية المنخفضة للغاية ومجموعة من العوامل الأخرى تحقيق معامل تدهور حراري منخفض. بالمقارنة مع GaN، حيث R_{DS (على)} عند 125 درجة مئوية يمكن أن يكون أكثر من 2 × عند 25 درجة مئوية، فإن R_{DS (على)} لـ ß-Ga₂يا₃يتحرك قليلا مع درجة الحرارة.

تم تشغيل SBD حتى 600 كلفن وأظهر زيادة أصغر بكثير بمقدار عشرة أضعاف في تيار التسرب العكسي من 300 كلفن إلى 500 كلفن عند 500 فولت، مقارنة بزيادة لا تقل عن مائة ضعف في GaN وSiC SBDs الرأسية بتقييمات مماثلة. كانت MESFETs جاهزة للعمل عند درجة حرارة 500 درجة مئوية. توضح هذه الأمثلة الاستخدام المحتمل لـ ß-Ga₂يا₃الأجهزة في درجة حرارة عالية، وتشغيل الجهد العالي.

تم أيضًا العمل على تحسين التغليف لتقليل المقاومة الحرارية. مساحة كبيرة معبأة على الوجهين (4.6 × 4.6 مم) ß-Ga₂يا₃تم استخدام جهاز SBD الرأسي المقدر بـ 15 أمبير⁷ مع تلبيد الفضة على جانبي القالب. تم قياس المقاومة الحرارية المحيطة بوصلة الأنود العليا لتكون 0.5 كيلو وات، وهي أقل من تلك الخاصة بـ SiC SBDs ذات التصنيف المماثل. يسلط هذا العمل وغيره من الأعمال التي تتضمن تخفيف الركيزة إلى أقل من 100 ميكرومتر الضوء على أن الموصلية الحرارية المنخفضة لا يجب أن تكون عائقًا في التطبيقات ذات الجهد العالي والطاقة العالية.

استخدام الوصلات المتغايرة/الوصلات الفائقة لإنشاء أجهزة ثنائية القطب

تعاطي المنشطات ß-Ga₂يا₃أمر صعب بسبب عدم وجود متقبلات ضحلة وقوة محاصرة الثقوب الذاتية. أجهزة الوصلة غير المتجانسة والوصلة الفائقة باستخدام n-doped ß-Ga₂يا₃مع أكسيد النيكل المخدر P تم إثباته بنجاح على شكل ثنائيات ودوائر MOSFET. تم بنجاح إنشاء واجهات عالية الجودة بين هاتين المادتين والأداء الجيد للجهاز الذي يخلق مزايا وصلة pn، بما في ذلك القدرة على الانهيار والاندفاع، والتي يمكن أن تكون معيارًا حيويًا للمتانة في العديد من تطبيقات أنظمة الطاقة.

مراجع

¹تشانغ، ي.، وشبيك، ج. (2020). “أهمية المنشطات الهيدروجينية الضحلة ونقاء المواد لأشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة الفائقة لأجهزة إلكترون الطاقة العمودية.” علوم وتكنولوجيا أشباه الموصلات، 35، 125018.

²شارما وآخرون. (2020). “الجانبي المطلي بالميدان Ga₂يا₃ الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة مع تخميل البوليمر وجهد الانهيار 8.03 كيلو فولت. رسائل جهاز الإلكترون IEEE، 41(6)، الصفحات من 836 إلى 839.

³بهاتاشاريا وآخرون. (2022). “4.4 كيلو فولت ß-Ga₂يا₃MESFETs ذات قوة الجدارة التي تتجاوز 100 ميجاوات سم^-2“. رسائل الفيزياء التطبيقية، 15، 061001.

⁴بهاتاشاريا وآخرون. (2022). “بوابة ثلاثية عالية الحركة β-Ga₂يا₃ MESFETs مع رقم قوة الجدارة أكثر من 0.9 جيجاوات / سم²“. رسائل جهاز الإلكترون IEEE، 43(10)، الصفحات من 1637 إلى 1640.

⁵وانغ وآخرون. (2019). “Ga العمودي عالي الجهد₂يا₃ تعمل مقومات الطاقة في درجات حرارة عالية تصل إلى 600 كلفن. رسائل الفيزياء التطبيقية، 115، 263503.

⁶الإسلام وآخرون. (2022). “500 درجة مئوية تشغيل ß-Ga₂يا₃تأثير الترانزستور الميدان.” رسائل الفيزياء التطبيقية، 121، 243501.

⁷وانغ وآخرون. (2021). “المقاومة الحرارية المنخفضة (0.5K/W) Ga₂يا₃ مقومات شوتكي ذات التغليف المزدوج. رسائل جهاز الإلكترون IEEE، 42(8)، الصفحات من 1132 إلى 1135.

تفضل بزيارة الكتاب الإلكتروني للحصول على المقالة كاملة

ظهرت هذه التدوينة الواعدة لأجهزة أكسيد الغاليوم ذات الجهد العالي لأول مرة على Power Electronics News.