استعراض
في الآونة الأخيرة، والمعهد الوطني الياباني لتقنية المعلومات وجامعة الاتصالات طوكيو للزراعة ويدل على نوع واحد من أكسيد الغاليوم العمودي (Ga203) أكسيد المعادن تأثير الحقل أشباه الموصلات الترانزستور (في MOSFET)، والذي يستخدم "الكامل زرع الأيونات" عملية N-نوع إشابة وP-نوع، منخفضة التكلفة، وعهد جديد من الالكترونيات والكهرباء Ga2O3 manufacturability عالية من رصف.
خلفية
الالكترونيات والكهرباء، السيطرة على السلطة والانضباط ويشارك في تحويل تطبيقات محرك السيارات، والسيارات الكهربائية، ومركز البيانات، الشبكة، وما شابه ذلك. الالكترونيات والكهرباء، أي المقوم (الثنائي) ومفتاح (الترانزستور)، وتكوين الدوائر الإلكترونية السلطة عنصر الأساسية.
الثنائيات (المصدر: ويكيبيديا)
الترانزستور (المصدر: ويكيبيديا)
في كل مكان من حولنا مجموعة واسعة من الالكترونيات والكهرباء، والتي تستخدم عادة لتغيير الجهد قد يكون AC أو DC تحويل، على سبيل المثال: جهاز إلكتروني محمول لشحن الطاقة المتنقلة، والكهربائية حزمة بطارية السيارة، والمعدات انتقال السلطة نفسها.
اليوم، نجد أن الجهاز الكهربائي الرئيسي من السيليكون (سي) التكوين، ولكن مثل هذه أجهزة السلطة تقترب حدود الأداء الأساسية، بحيث يصبح نظام الطاقة التجاري مرهقة وغير فعالة.
واستنادا إلى واسعة ذات فجوة الحزمة أشباه الموصلات جهاز السلطة الجديد من أكسيد الغاليوم (Ga203)، فمن المتوقع أن تحدث ثورة في صناعة الالكترونيات والكهرباء.
A تخطيطيا للهيكل الكريستال من الغاليوم أكسيد - (المصدر: ويكيبيديا)
يشار اسعة المواد ذات فجوة الحزمة أشباه الموصلات (الفرقة الفجوة أكبر من 2.2 فولت) لوالجيل الثالث من مواد أشباه الموصلات، بما في ذلك الماس، كربيد، الجاليوم ومثل. مقارنة مع أول مادة، وأشباه الموصلات الثانية، الجيل الثالث من مادة شبه موصلة وجود فجوة واسعة النطاق، المشبعة عالية الإلكترون الانجراف السرعة، وانخفاض ثابت العزل الكهربائي، والموصلية الجيدة وغيرها من المزايا. مقارنة المواد ذات فجوة الحزمة أشباه الموصلات واسعة على الدائرة مع الدوائر القائمة على السيليكون التقليدية، وارتفاع كثافة الطاقة، وانخفاض استهلاك الطاقة. من خلال "مستوى الجهاز" كثافة الطاقة زيادة وتحويل الطاقة كفاءة، ومن المتوقع Ga2O3 لخفض كبير في الحجم والوزن، والتكلفة واستهلاك الطاقة للنظام.
من قبل، لقد قدم ورقة نشرت في المعهد الأمريكي للفيزياء نشرت في "رسائل الفيزياء التطبيقية (رسائل الفيزياء التطبيقية)" مجلة [3]، في ورقة، أظهر الباحثون "واسعة من التجارب الجديدة فجوة الحزمة أشباه الموصلات المادي Ga2O3 "تهدف إلى النانو، مثل أن الإلكترونات تتحرك بشكل أسرع في التركيب البلوري. الالكترونيات مثل "سهل" التدفق، لذلك Ga2O3 كانت مثالية لأنظمة الاتصالات عالية التردد والأجهزة الإلكترونية السلطة الموفرة للطاقة.
(المصدر: شونغ هي لي وYuewei تشانغ)
ابتكار
في الآونة الأخيرة، والمعهد الوطني الياباني للتكنولوجيا الاتصالات (NICT) وجامعة طوكيو للزراعة المعلومات و(توات) عمال أظهرت "طولي" تأثير الحقل أكسيد الغاليوم معدن أكسيد أشباه الموصلات الترانزستور (في MOSFET)، والذي يستخدم "زرع الأيونات الكامل (كل أيون-مزروع ) عملية جديدة العمر Ga2O3 الالكترونيات والكهرباء "N-نوع إشابة وP-نوع، والتكلفة المنخفضة لل، وارتفاع رصف manufacturability.
تكنولوجيا
في عام 2011، NICT إظهار الرائد الأول Ga2O3 الترانزستورات الكريستال واحد، مما أدى إلى الأنشطة البحثية دولية مكثفة، لهذا جديد العلوم أكسيد نوع أشباه الموصلات والهندسة دراسة [4].
على مدى السنوات القليلة الماضية، ركزت تطوير البحث على الترانزستور Ga2O3 الوحشي الهندسة. ومع ذلك، ويرجع ذلك إلى منطقة الجهاز الكبيرة، والاعتماد على توليد الحرارة، وعدم الاستقرار السطح، وليس من السهل أن تحمل أجهزة الجانبية المطلوبة للعديد من التطبيقات "تيار عالية وعالية الجهد" الاختبار.
في المقابل، هندسة طولية يمكن أن تكون مدفوعة في تيار العالي، دون زيادة حجم رقاقة، وبالتالي تبسيط إدارة الحرارية، وتقديم "أفضل" من المحطة المجال. الترانزستور العمودي تبديل الخصائص، من خلال إدخال اثنين من الشوائب (إشابة) في أشباه الموصلات تصميم. عند التبديل "فتح"، إشابة N-نوع، وتقدم هناك الناقل المحمول (الإلكترون) لنقل التيار، وعندما التحول هو "إيقاف"، P-نوع المنشطات، ستبدأ حجب الجهد.
ماساتاكا Higashiwaki NICT استغرق فريق البحث بقيادة زمام المبادرة باسم N-نوع إشابة، ولكن كان المجتمع العلمي منذ فترة طويلة لإيجاد P-نوع جهود إشابة السليكون مناسبة (سي) في جهاز Ga2O3. في وقت سابق من هذا العام، وهو نفس فريق البحث والنيتروجين الجدوى المنشورة (N) كنوع P إشابة [5]. وتشمل أحدث نتائجها هو عرض إشابة الأول من خلال عملية ذات الطاقة العالية، ما يسمى ب "زرع الأيونات"، مع دمج السيليكون مخدر النيتروجين، تصميم الترانزستور Ga2O3.
3 ديسمبر، الدراسة التي نشرت في مجلة "IEEE الكترون رسائل جهاز" [2] في ورقة الإنترنت في شكل الوصول في وقت مبكر، والمقرر أن تظهر في مجلة تلك الفترة نشرت في يناير 2019. الدراسة مبنية على أساس دراسة في وقت سابق، أن الدراسة استخدمت مختلف متقبل إشابة [6].
مركز تنمية باحث أول أجهزة تكنولوجيا المعلومات والاتصالات الخضراء، والمؤلف الرئيسي للورقة قال رجل هوي وونغ: "بدأنا في دراسة المنشطات P-نوع مع المغنيسيوم، ولكن هذا إشابة لا يمكن أن توفر الأداء المطلوب، لأنه في علاج ارتفاع درجة الحرارة وهذه هي الحالة التي يكون فيها نشر النيتروجين من ناحية أخرى، والكثير من الاستقرار الحرارية العالية، مما يوفر فرصة فريدة لتصميم وتصنيع جهاز Ga2O3 عالية ".
Ga2O3 المادة الأساسية لMOSFET الرأسي، ويسمى ب "هاليد تناضد مرحلة البخار (لHVPE)" إنتاج التكنولوجيا نمو البلورات. HVPE رائدها أستاذ توات Yoshinao كوماجاى وهيساشي موراكامي، وقادرة على "سرعة عالية، ومستويات منخفضة النجاسة،" نمو واحدة من الكريستال رقيقة Ga2O3 [7]. الباحثون تجسيد، ثلاثة أيون خطوة زرع، يتم تشكيل N-نوع الاتصال في MOSFET، N-قناة، P-نوع حجب الحالي طبقة (CBLs) (الشكل 1). هذا الجهاز المعارض الخصائص الكهربائية جيدة جدا، بما في ذلك إجراء الكثافة الحالية 0.42 كيلو أمبير / CM2، وتحديدا على المقاومة من 31.5 m CM2، وأكبر من ثمانية أوامر من حجم أعلى من التحول الحالي هجرة (الشكل 2). من خلال تحسين نوعية طبقة البوابة العازلة وتحسين نظام المنشطات، وتحسين الأداء مزيد بسهولة.
نظرا لوجود Ga2O3 MOSFET الطولي (أ) وجهة نظر قطاعات التخطيطي (ب) وجهة نظر طائرة من صورة مجهرية ضوئية (المصدر: NICT)
FIG اثنين طولية Ga2O3 MOSFET (أ) و إخراج DC (ب) خصائص نقل (المصدر: NICT)
قيمة
وقال مدير مركز NICT أجهزة تكنولوجيا المعلومات والاتصالات الخضراء تنمية المتقدم Higashiwaki :. "نجاحنا هو تطور اختراق، ومن المتوقع أن يكون لها تأثير تحولي على تكنولوجيا جهاز السلطة Ga2O3" ايون زرع "هو تقنيات التصنيع متعددة الوظائف، مثل السيليكون كربيد السيليكون (كذا) جهاز أشباه الموصلات من بلورات إنتاج MOSFET التجارية وما شابه يستخدم على نطاق واسع. لعرض كامل للالترانزستور Ga2O3 زرع الأيونات العمودي، بشكل كبير على تحسين آفاق Ga2O3 على أساس الالكترونيات والكهرباء ".
وقال Higashiwaki وونغ: "جهاز السلطة العمودي هو الأكثر منافس قوي، فإنه يمكن أن يتجاوز 100A الحالي جنبا إلى جنب مع الجهد تتجاوز 1KV، العديد من المركبات مثل مطلوب ملزمة، ولكن الأنظمة الكهربائية أيضا صناعة الطاقة الكهربائية والمركبات أنا في حاجة ".
تأثير Ga2O3 الفن وسيتم دعم كامل من النمو المواد الطبيعية "أسلوب ذوبان"، وهذا هو جوهر مساعد رئيسي لصناعة السيليكون. هيمنت صناعة السيليكون سوق أشباه الموصلات العالمي، والعائد السنوي من مئات المليارات من الدولارات. وأوضح الباحثون: "كربيد صورة (كذا) وأجهزة السلطة نيتريد الغاليوم (الجاليوم) لديها إلى حد ما، أعاقت الركيزة للمكلف Ga2O3، والطبيعية ذات جودة عالية الركيزة كبيرة الحجم. فيما يتعلق فجوة الحزمة واسعة من كربيد لتكنولوجيا الجاليوم المستخدمة حاليا لتوفير ميزة فريدة وهامة تكلفة تظهر هذه التكنولوجيات الناشئة بسرعة ".
الكلمة
الترانزستور، وهو جهاز السلطة أشباه الموصلات، ونيتريد الغاليوم
المواد المرجعية
[1]
[2] https://ieeexplore.ieee.org/document/8556005
[3] Yuewei تشانغ، آدم نيل، تشان بو شيا، تشاندان Joishi، جاريد M. جونسون، يوانهوا تشنغ، Sanyam باجاج، مارك برينر، دونالد دورسي، كيلزن الشاباك، جريج جيسين، Jinwoo هوانج شين مو، جوزيف HEREMANS، سيدهارث مظاهرة راجان التنقل السريع والنقل الكم في تعديل مخدر - (AlxGa1-خ) 2O3 / Ga2O3 heterostructures رسائل الفيزياء التطبيقية، 2018، 112 (17): .. 173502 دوى: 10.1063 / 1.5025704
[4] M. Higashiwaki، K. ساساكي، A. Kuramata، T. Masui، وS. Yamakoshi "أكسيد الجاليوم (Ga2O3) الترانزستورات المعادن أشباه الموصلات مجال التأثير على (010) ركائز -Ga2O3 واحدة من الكريستال" تطبيق ورقة. فيز. بادئة رسالة، المجلد 100، العدد 1، ص 103504، يناير 2012.
[5] MH ونغ، C.-H. لين، A. Kuramata، S. Yamakoshi، H. موراكامي، Y. كوماجاى، وM. Higashiwaki "القابل المنشطات من -Ga2O3 من المغنيسيوم وN زرع أيون"، تطبيق ورقة . فيز. بادئة رسالة، المجلد 113، رقم 10، ص 102103، سبتمبر 2018.
[6] MH ونغ، K. جوتو، Y. موريكاوا، A. Kuramata، S. Yamakoshi، H. موراكامي، Y. كوماجاى، وM. Higashiwaki، "الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة Ga2O3 مستو البوابة جميع ايون-المزروع الفتحة العمودية الحالية مع ملغ مخدر عرقلة طبقة "، تطبيق ورقة. فيز. اكسبرس، المجلد 11، العدد 6، ص 064102، يونيو 2018.
[7] H. موراكامي، K. نومورا، K. جوتو، K. ساساكي، K. Kawara، QT ثيو، R. Togashi، Y. كوماجاى، M. Higashiwaki، A. Kuramata، S. Yamakoshi، B. Monemar، وA. Koukitu، "النمو Homoepitaxial من طبقات -Ga2O3 التي كتبها هاليد بخار مرحلة تنضيد،" تطبيق ورقة. فيز. إكسبريس، المجلد 8، العدد 1، ص 015503، يناير 2015.
