AlN semiconductor: un nuevo mercado de nitruro III de rápida aparición|Huaqing Chinei.com

Noticias

AlN semiconductor: un nuevo mercado de nitruro III de rápida aparición

Dec 11, 2024

Abstracto

El nitruro de aluminio (AlN) es un material de gran interés para aplicaciones futuras cercanas, incluidas la electrónica de potencia de alto rendimiento, dispositivos semiconductores para entornos extremos, dispositivos de radiofrecuencia (RF) y optoelectrónica ultravioleta profunda (DUV) debido a sus excelentes propiedades eléctricas, ópticas y térmicas. [1-3]. En comparación con otros semiconductores comúnmente utilizados (es decir, Si, SiC, GaN y β-Ga2O3), el AlN tiene el campo eléctrico crítico y el voltaje de ruptura teórico más altos, lo que lo lleva a tener las cifras de mérito de Baliga y Johnson más altas [3 ]. AlN también tiene una de las velocidades de saturación y conductividades térmicas más altas entre los semiconductores con un sustrato disponible comercialmente [3]. Sin embargo, el AlN tradicionalmente ha sido sólo un aislante sin la capacidad de convertirse en semiconductor mediante un dopaje sustancial. Recientemente demostramos un dopaje masivo sustancial (concentraciones de portadores superiores a 1018 cm-3) para AlN de tipo p y n utilizando dopantes de Be y Si, respectivamente [1,2]. A partir de estos resultados, también demostramos la rectificación y un encendido de 6 V en diodos AlN PN [2,3]. Las primeras estructuras de transistores muestran una densidad de corriente superior a 350 mA/mm en VDS=10 V para dispositivos de canal n y ~30 mA/mm a VDS=30 V para dispositivos de canal p, y se espera una mejora significativamente mayor rápidamente. Dada la infraestructura existente para admitir dispositivos AlN y el salto en rendimiento posible con un material de banda prohibida de 6,1 eV con alta conductividad térmica, se anticipa que los mercados de AlN se desarrollarán rápidamente con muchos dispositivos desarrollándose en paralelo, reduciendo los costos generales del ecosistema y ofreciendo el mayor rendimiento. plataforma de semiconductores hasta la fecha.

INTRODUCCIÓN

¿Por qué desarrollar otro ecosistema de semiconductores? Como se describe en la Tabla 1, el AlN tiene la banda prohibida más grande de cualquier semiconductor con un sustrato disponible comercialmente, casi el doble que el GaN y el SiC, los dos semiconductores de banda prohibida más exitosos disponibles en la actualidad. Esta banda prohibida mucho mayor ofrece saltos masivos en el rendimiento, ya que AlN tiene el campo crítico más alto y las cifras de mérito de Baliga y Johnson. AlN es la única solución semiconductora conocida actualmente para óptica UV profunda (LED, LÁSER y fotodetectores de longitud de onda de ~200 nm). En RF y electrónica de conmutación de potencia, AlN ofrece mucho más que una simple mejora evolutiva en el rendimiento del dispositivo en comparación con los semiconductores maduros de banda prohibida de GaN y SiC que son los actores dominantes en RF y electrónica de potencia. Además, AlN comparte infraestructura del ecosistema (sustratos, herramientas de epitaxia, herramientas de fabricación, cadena de suministro, etc.) con su hermano pequeño, GaN, lo que hace que el costo de desarrollo sea una pequeña fracción de lo que normalmente se requiere para llevar un semiconductor desde la infancia hasta la madurez. Sin embargo, a diferencia del GaN, existe una sólida tecnología de sustrato de AlN para transporte físico de vapor (PVT) (2” es común, con 4” demostrada pero aún no está a la venta) con un modelo de costo y tiempo conocido tomado de la experiencia de SiC PVT, lo que sugiere 6-8 “Las obleas podrían estar disponibles en 2030 si la demanda justifica una mayor inversión. Finalmente, AlN está aquí hoy, y su desarrollo sólo requiere tiempo de ingeniería, no avances tecnológicos significativos.

MERCADOS EMERGENTES

Existen tres mercados obvios y de corto plazo para el AlN: la optoelectrónica (en particular, los emisores); Electrónica de potencia de conmutación; y electrónica de radiofrecuencia.

Optoelectrónica

En los últimos años, los LED DUV se han centrado en ~270 nm porque esta longitud de onda es fácilmente absorbida por sustancias orgánicas virales y bacterianas. Esta longitud de onda se encuentra en "un" pico de la "curva de extinción" que describe la fuerza de la absorción y la tendencia a interrumpir la replicación de especies virales/bacterianas. Sin embargo, existe un pico aún más sensible en la curva de extinción alrededor de 200 nm, lo que indica un medio más eficiente de esterilización contra especies virales y bacterianas que se alinea bien con el pico de emisión de AlN. Por esta razón, los LED AlN DUV son de gran interés y aún no se han demostrado. El desarrollo de potentes fuentes de luz DUV permitiría la esterilización óptica de prácticamente cualquier superficie sin preocuparse por la interacción con los humanos. La luz de 200 nm es más segura que la de 270 nm porque se absorbe en las capas muertas de la piel y es menos propensa a causar cáncer de piel.

Conmutación de electrónica de potencia

En muchas aplicaciones electrónicas, el AlN es el único en su capacidad para conmutar dispositivos de muy alto voltaje debido a la realidad práctica de que los semiconductores de menor capacidad necesitan espesores de dispositivo poco realistas que no se logran fácilmente con las tecnologías epitaxiales actuales [3]. Por el contrario, el AlN requiere ~0,7 µm/kV. , haciendo prácticos dispositivos de muchas decenas de kV con las herramientas epitaxiales actuales. Dada la estatura de adopción conservadora para el mercado comercial de electrónica de potencia, el Departamento de Defensa sería un candidato más probable para una adopción comercial temprana. Los convertidores CC-CC, CA-CC y CC-CA de alto voltaje son fundamentales para los sistemas electrónicos futuros, incluidos los sistemas modulares Power Electronic Building Block (PEBB) que buscan una operación de bus de voltaje cada vez mayor. Para AlN, un PEBB de 20 kV requeriría teóricamente ~ 14 µm de epitaxia en comparación con >70 µm para la tecnología de SiC actual, lo que reduciría en gran medida el costo y las limitaciones de diseño del dispositivo. Además, la mayor frecuencia de conversión habilitada por AlN reduciría el tamaño del sistema al hacer que los componentes reactivos asociados sean más pequeños y más fáciles de manejar en los sistemas modulares destinados al PEBB. AlN también podría habilitar o simplificar muchos transformadores de estado sólido de kV (interruptores de dispositivo único en lugar de interruptores conectados en serie). Estas son solo algunas de las muchas aplicaciones de energía que se pueden habilitar al tener un semiconductor con capacidad de voltaje más alto que permita un voltaje más alto y, por lo tanto, pérdidas de conducción más bajas para permitir una capacidad de conmutación de un solo dispositivo nunca antes práctica.

Material	E_G (eV)	V_Saturación (10⁷cm/s)	E_Crítico @10¹⁶cm^-3 (VM)	Térmico Conductividad (W/m-K)	Johnson FOM (10¹²V/S)	Disponible ¿Sustrato?	¿Tipo N?	¿Tipo P?	Luz Emisión ?
Si	1.12	1.0	0.3	145	0,48	Sí	Sí	Sí	No
Sic	3.26	2.0	3.1	490	10	Sí	Sí	Sí	No
GaN	3.45	1.4	4.9	253	11	Casi	Sí	Sí	Sí
β-Ga2O3	4.8	1.1	10.3	27	18	Sí	Sí	No	No
AlN (rango de parámetro)	6.1 (#1)	1.3 (#3)	15.4 (#1)	319 (#2)	32 (#1)	Sí	Sí ¡Este trabajo!	Sí ¡Este trabajo!	Sí

Electrónica de radiofrecuencia

El AlN tiene un rendimiento muy cercano al GaN y lo supera en capacidad térmica y de voltaje y conducción tipo p. Con una velocidad de saturación del 93% de la de GaN y movilidades de electrones ya realizadas superiores a 400 cm.² /V-seg [3], el AlN cede muy poco en cuanto a flujo de corriente a la capacidad probada del GaN. Sin embargo, la densidad de potencia en la electrónica de RF de AlN puede ser mayor debido a una conductividad térmica un 26% mayor que puede distribuir eficientemente el calor lejos de los pequeños dispositivos de RF. Del mismo modo, debido a que el AlN puede manejar voltajes un 50 % más altos para una longitud de dispositivo determinada, se puede lograr una eficiencia energética sustancial en el AlN en comparación con el GaN. Al reducir la generación de calor haciendo hincapié en el voltaje en lugar de la corriente y con una conductividad térmica mejorada, se predicen dispositivos de RF AlN >50 W/mm, una capacidad asombrosa.

Por lo tanto, el AlN es un semiconductor de rápido crecimiento que puede ofrecer una explotación espectacular y a corto plazo en conmutación de energía, electrónica de alta temperatura, electrónica de RF y optoelectrónica, facilitada por avances en tecnologías de dopaje habilitadas por epitaxia de desequilibrio y baja temperatura. Sin embargo, el AlN, como todos los semiconductores de banda prohibida amplia, tiene energías de formación de defectos que son

depende de la posición del nivel de Fermi, que está controlada por impurezas y defectos, no por la temperatura de crecimiento como se encuentra en materiales como GaAs y Si. Por tanto, los defectos e impurezas suelen dar lugar a una autocompensación que hace que el dopaje para lograr la conductividad sea problemático. Hemos descubierto que la compensación de defectos e impurezas se puede reducir controlando la química de la superficie durante el crecimiento, siendo las concentraciones de vacantes de compensación más bajas un factor clave para utilizar un crecimiento a temperatura más baja. Contrariamente al entendimiento común, se ha demostrado que los procesos de vacío ricos en metales a baja temperatura tienen longitudes de difusión más altas que los métodos ricos en nitrógeno a alta temperatura [3]. Esta característica se puede utilizar para inhibir la formación del centro DX de silicio sin comprometer la calidad del cristal.

Además, las bajas temperaturas provocan una concentración de vacantes exponencialmente menor. Por lo tanto, para el dopaje de tipo p donde las vacantes de N actúan como donantes compensadores, el crecimiento a baja temperatura es vital para lograr la conductividad de tipo p. Existen argumentos complementarios para reducir las vacantes compensadoras de Al cuando se dopa AlN de tipo n con donantes de Si. Los cálculos de primeros principios identifican la banda de separación de valencia de AlN como la banda de huecos dominante y, debido a su posición anómala por encima de las bandas de huecos pesados y ligeros, se forma una banda de impurezas en concentraciones de dopante más bajas que en GaN, incluso con un significado de energía aceptor aislado más profundo. El dopaje de bandas de impurezas bien probado en GaN se puede aplicar a AlN en una gama más amplia de concentraciones de impurezas. Esta estructura de banda anómala facilita movilidades de agujeros que son sustancialmente mayores que las posibles con GaN. Se han logrado AlN tipo P con concentraciones de huecos de ~4,4 × 1018 cm-3 y resistividad de 0,045 Ω-cm y AlN tipo n con concentraciones de electrones de ~6 × 1018 cm-3 y resistividad de ~0,02 Ω-cm.

Además, la capacidad de crear una banda de impurezas expandida desde los estados aceptor y donante aislados ha dado como resultado estimaciones de que la energía de activación efectiva de los aceptores y los donadores es de ~37 meV y ~35-50 meV, respectivamente [3-4], lo que ofrece sustanciales beneficios. promesa para las generaciones futuras de dispositivos electrónicos unipolares, electrónicos bipolares y ópticos de AlN.

PROMESA TIPO P

Para la misma concentración de agujeros (~4x10¹⁸ centímetro^-3 ), la movilidad de los huecos en AlN es ~10 veces mayor que la del GaN. Esto sugiere promesas para la óptica bipolar y las tecnologías electrónicas complementarias, como las etapas push-pull o la lógica digital, que no son prácticas en GaN. Las primeras estructuras de transistores muestran una densidad de corriente de canal de más de 350 mA/mm en V_DS=10 V para dispositivos de canal n y ~30 mA/mm en V_DS= 30 V para dispositivos de canal p y se espera una mejora significativamente mayor. Esto significa que la asimetría de la geometría del diseño de pares complementarios es solo de aproximadamente 10:1 para los transistores AlN de tipo p:n en comparación con ~100:1 para los transistores GaN. Si bien sigue siendo grande en comparación con la tecnología de Si, una asimetría de diseño de 10:1 es manejable, lo que permite dispositivos complementarios mientras se mantiene una densidad de empaquetamiento razonable.

¿Por qué el AlN tipo p es mejor que el GaN tipo p?

AlN tiene una estructura de banda inusual que favorece la conducción tipo p. Específicamente, en AlN, la banda de valencia escindida está ubicada por encima de las bandas degeneradas de agujeros pesados y ligeros, lo que la convierte en la banda principal para interactuar con los aceptores más profundos (como se usa en las referencias 1-3). Esto significa que la banda separada es la banda de transporte para los agujeros formados mediante la formación de bandas de impurezas [3]. Dado que esta banda dividida tiene una curvatura más fuerte que las bandas de agujeros pesadas y livianas, la masa efectiva del agujero es menor, lo que hace que la movilidad del agujero sea mayor en esta banda dividida [3]. Además, la masa efectiva más pequeña da como resultado una concentración de dopante ~ 10 veces menor en la que comienza a formarse la banda de impurezas en comparación con GaN. Esto significa que el beneficio de la formación de bandas de impurezas (mayor eficiencia de activación, mayores concentraciones de huecos) se produce con un menor dopaje en AlN en comparación con GaN.

La mejora de tipo n

Mientras que los esfuerzos anteriores del MOCVD [5-6] alcanzaron un máximo de ~1015 cm-3 de concentración de electrones a temperatura ambiente, al utilizar el método de síntesis a baja temperatura descrito en otro lugar [2-3], se han logrado concentraciones de electrones de hasta 6x1018 cm-3. se ha logrado. Estos métodos de baja temperatura sin equilibrio se complementan en la literatura con trabajos prometedores de implantación de iones en los que también se obtienen altas concentraciones de electrones. Lo común de ambos métodos es evitar altas temperaturas que pueden resultar en una generación significativa de vacantes que compensa el dopaje del donante y agrava la tendencia del Si a romper su enlace del eje c con N [2-3]. Si bien aún pueden ser posibles concentraciones de dopaje más altas, los valores de dopaje demostrados actualmente son lo suficientemente altos como para formar buenos contactos óhmicos con el material crecido (pero no grabado con plasma).

DESAFÍOS DE INGENIERÍA RESTANTES

Los principales desafíos para AlN se basan en la ingeniería, no en la ciencia fundamental. Esto significa que con tiempo y recursos suficientes se pueden afrontar todos los desafíos. Los principales desafíos restantes son la necesidad de mejorar la repetibilidad del dopaje debido a la tendencia del AlN a absorber impurezas del ambiente de vacío [1-3] y la necesidad de mejorar los contactos con el AlN [2-3]. Como se muestra en la Figura 1, según el modelo estándar de afinidad electrónica, la gama de metales disponibles no se alinea bien en energía con el AlN. La mayoría de los semiconductores tienen una afinidad electrónica de ~4 eV. Dependiendo del informe que crea, la afinidad electrónica del AlN, χ, es -0,2< χ <1,9 eV. Esto lleva a algunas rarezas en el contacto. Por ejemplo, experimentalmente, se han utilizado metales con alta función de trabajo para contactos tipo p (esperado) y tipo n (no esperado) [1-3]. No está claro por qué esta estrategia funciona, pero puede estar relacionada con la formación de barreras Schottky fuertemente dobladas independientemente del metal seleccionado, lo que permite que se formen contactos de túnel. El trabajo actual apoyado por la Marina está investigando la causa y ofreciendo mejores soluciones de contacto.

Los contactos con capas grabadas con plasma necesarios para dispositivos cuasi verticales (grabado para hacer contacto con capas enterradas de tipo n) son sustancialmente peores (>100 veces peores) que los contactos no grabados [2-3]. Es necesaria y se está explorando la limpieza posterior al grabado de los daños por plasma y los contaminantes de la superficie. El uso de grabado digital [7] y/o productos químicos de plasma comúnmente disponibles que no son comunes para GaN pueden ser prometedores. Si bien, hasta donde saben los autores, nadie está trabajando en sustratos conductores de AlN a granel, esta innovación haría que los campos de la optoelectrónica y la electrónica de conmutación de potencia expandieran rápidamente sus aplicaciones y evitaran la necesidad de dispositivos cuasi verticales y la necesidad de hacer contacto. a superficies grabadas. Una solución para lograr el mismo objetivo de conducción vertical sin la necesidad de obleas conductoras es emplear despegue epitaxial. Sin embargo, este enfoque puede limitar el área general del dispositivo y, por lo tanto, puede afectar a los dispositivos de alta corriente.

Una solución de contactos muy prometedora es utilizar contactos graduados por composición, pero esto aún debe implementarse en AlN. Amano et al [8], demostraron recientemente una capa de contacto de tipo n y tipo p con composición graduada para diodos AlGaN de alta composición de Al que mostraron una notable resistencia específica de 0,003 Ω-cm2. Si bien a primera vista parece sencillo extender esto al AlN, el hecho no tan bien apreciado de que los grados de polarización no crean portadores libres sino que simplemente atraen portadores libres de otros lugares complica la implementación. Específicamente, se necesita una gran reserva de electrones libres y huecos desde los cuales atraer hacia la región graduada de polarización. A menudo, estos portadores se originan en estados superficiales [9]. Pero en el AlN los estados superficiales están muy bien pasivados por los óxidos de Al. Por lo tanto, puede resultar más difícil alcanzar composiciones de 100% Al en estructuras graduadas. Se necesita más investigación.

CONCLUSIONES

Los recientes avances en el semiconductor AlN, AlN que puede doparse sustancialmente en masa, han creado entusiasmo por los futuros dispositivos electrónicos y optoelectrónicos con un rendimiento nunca antes visto. Los métodos de no equilibrio a baja temperatura han demostrado tener éxito en lograr AlN semiconductor con concentraciones de portadores libres a temperatura ambiente superiores a 4x1018 cm-3 para conducción de tipo n y p y han conducido a diodos pn funcionales [2-3] y a diodos tempranos (incompletos). ) transistores con una promesa impresionante. Si bien quedan algunas áreas por explorar, la mejora del contacto es la necesidad más inmediata y es principalmente un desafío de ingeniería, no de ciencia fundamental. Por el contrario, se necesitan esfuerzos para crear dispositivos conductores verticales mediante obleas conductoras a granel o métodos de posprocesamiento como el despegue epitaxial.

EXPRESIONES DE GRATITUD

Este trabajo fue apoyado por el Programa de Iniciativas de Investigación Universitaria Multidisciplinaria (MURI) de la Oficina de Investigación Naval (ONR) titulado "Aprovechando un nuevo paradigma teórico para mejorar el transporte térmico interfacial en electrónica de potencia de banda ancha" bajo el Premio No. N00014-17-S- F006 administrado por el Capitán Lynn Petersen y el Dr. Mark Spector. Este trabajo también fue apoyado en parte por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea bajo el Premio No. FA9550-21-1-0318 administrado por el Dr. Ali Sayir y la Oficina de Investigación Naval bajo el Premio No. N00014-23-1-2013 administrado por la capitana Lynn Petersen.

REFERENCIAS

[1] H. Ahmad y W. A. Doolittle, et al, Adv. Madre. 33, 2104497 (2021).

[2] H. Ahmad y W. A. Doolittle, et al, J. Appl. Física. 131, 175701 (2022).

[3] W. A. Doolittle, et al, Appl. Física. Lett., V123 #7, (2023)

[4] C. M. Matthews y W. A. Doolittle, et al, Appl. Física. Letón. V124 #5, 052102 (2024).

[5] ML Nakarmi, et al, Appl. Física. Lett., V85, 3769, (2004)

[6] T. Ive, et al, Appl. Física. Lett., V86, 024106, (2005)

[7] P. Shih y W. A. Doolittle, et al, Appl. Física. Letón. V120 #2, 022101, (2022).

[8] T. Kumabe et al., IEEE Trans. Electo. Desarrollo. Acceso anticipado febrero (2024)

[9] J. P. Ibbetson, Appl. Física. Lett., V77 #2, 250–252 (2000)

ACRÓNIMOS

AlN: nitruro de aluminio

MME: epitaxia modulada por metal

MBE: epitaxia de haz molecular

MOCVD: Deposición de vapores químicos orgánicos metálicos

PVT: Transporte físico de vapor

Este artículo está reimpreso de https://csmantech.org/speaker/amanda-l-tang/

CATEGORÍAS DE PRODUCTO

nuevos productos

Llámanos y hazlo

Por qué necesita nuestros servicios, sabe que está obteniendo profesionales altamente calificados que tienen la experiencia y los conocimientos para asegurarse de que su proyecto se realice correctamente y funcione.

CONTÁCTENOS

Información del contacto

Visite Nuestra Empresa en： DIRECCIÓN : No.2,Lingshi Road,Wuli Industry zone,Jinjiang City,Fujian Province,China
¿Tiene preguntas? Llámenos +86 15960789288
Contactar con nosotros kevinsze@aln.net.cn

Formulario de comentarios Póngase en contacto con nosotros

si desea una consulta gratuita, comience bg completando el formulario: