Полупроводниковый AlN: новый быстро развивающийся рынок III-нитридов|Huaqing Chinei.com

Полупроводниковый AlN: новый быстро развивающийся рынок III-нитридов

Dec 11, 2024

Абстрактный

Нитрид алюминия (AlN) представляет большой интерес для применений в ближайшем будущем, включая высокопроизводительную силовую электронику, полупроводниковые приборы для экстремальных условий окружающей среды, радиочастотные (РЧ) устройства и оптоэлектронику глубокого ультрафиолета (DUV) благодаря своим превосходным электрическим, оптическим и термическим свойствам. [1-3]. По сравнению с другими широко используемыми полупроводниками (например, Si, SiC, GaN и β-Ga2O3), AlN имеет самое высокое критическое электрическое поле и теоретическое напряжение пробоя, что приводит к его самым высоким показателям эффективности Балиги и Джонсона [3]. ]. AlN также имеет одну из самых высоких скоростей насыщения и теплопроводности среди полупроводников с коммерчески доступной подложкой [3]. Однако AlN традиционно был всего лишь изолятором, не имеющим возможности превратиться в полупроводник за счет значительного легирования. Недавно мы продемонстрировали существенное объемное легирование (концентрации носителей выше 1018 см-3) для AlN как p-, так и n-типа с использованием легирующих добавок Be и Si соответственно [1,2]. На основе этих результатов мы также продемонстрировали выпрямление и включение 6 В в AlN PN-диодах [2,3]. Ранние транзисторные структуры демонстрируют плотность тока более 350 мА/мм при VDS=10 В для n-канальных устройств и ~30 мА/мм при VDS=30 В для p-канальных устройств, при этом в ближайшее время ожидается значительное улучшение. Учитывая существующую инфраструктуру для поддержки устройств AlN и скачок в производительности, возможный благодаря материалу с запрещенной зоной 6,1 эВ и высокой теплопроводностью, ожидается, что рынки AlN будут быстро развиваться, поскольку многие устройства будут разрабатываться параллельно, что снизит общие затраты экосистемы и обеспечит высочайшую производительность. полупроводниковая платформа на сегодняшний день.

ВВЕДЕНИЕ

Зачем развивать еще одну полупроводниковую экосистему? Как описано в таблице 1, AlN имеет самую большую запрещенную зону среди всех полупроводников с коммерчески доступной подложкой, почти вдвое больше, чем у GaN и SiC, двух наиболее успешных полупроводников с широкой запрещенной зоной, доступных сегодня. Эта гораздо большая запрещенная зона обеспечивает огромный скачок производительности: AlN имеет как самое высокое критическое поле, так и показатели качества Балиги и Джонсона. AlN - единственное известное в настоящее время полупроводниковое решение для глубокой УФ-оптики (светодиоды с длиной волны ~ 200 нм, лазеры и фотодетекторы). В радиочастотной и силовой электронике AlN предлагает гораздо больше, чем просто эволюционное улучшение характеристик устройств по сравнению с зрелыми широкозонными полупроводниками GaN и SiC, которые являются доминирующими игроками в радиочастотной и силовой электронике. Кроме того, AlN разделяет инфраструктуру экосистемы (подложки, инструменты для эпитаксии, инструменты для изготовления, цепочку поставок и т. д.) со своим младшим братом GaN, в результате чего стоимость разработки составляет лишь небольшую часть того, что обычно требуется для перехода полупроводника от зачатка к зрелости. Тем не менее, в отличие от GaN, существует надежная технология подложки AlN с физическим переносом паров (PVT) (2 дюйма является обычной, 4 дюйма продемонстрированы, но еще не поступили в продажу) с известной моделью затрат и времени, заимствованной из опыта SiC PVT, предполагающей 6-8 Пластины могут стать доступными к 2030 году, если спрос потребует дальнейших инвестиций. Наконец, AlN существует сегодня, и его разработка требует только инженерного времени, а не значительных технологических прорывов.

РАЗВИВАЮЩИЕСЯ РЫНКИ

Для AlN существуют три очевидных и ближайших рынка: оптоэлектроника (особенно эмиттеры); Импульсная силовая электроника; и радиочастотная электроника.

Оптоэлектроника

В последние годы светодиоды DUV нацелены на длину волны ~270 нм, поскольку эта длина волны легко поглощается вирусными и бактериальными органическими веществами. Эта длина волны находится на пике «а» «кривой угасания», описывающей силу поглощения и тенденцию нарушать репликацию вирусных/бактериальных видов. Однако на кривой затухания около 200 нм существует еще более чувствительный пик, указывающий на более эффективный способ стерилизации против видов вирусов и бактерий, который хорошо согласуется с пиком эмиссии AlN. По этой причине светодиоды AlN DUV представляют большой интерес и еще не продемонстрированы. Разработка мощных источников DUV-света позволит оптически стерилизовать практически любую поверхность, не беспокоясь о взаимодействии с людьми. Свет с длиной волны 200 нм безопаснее, чем свет с длиной волны 270 нм, поскольку он поглощается мертвыми слоями кожи и менее склонен вызывать рак кожи.

Импульсная силовая электроника

Во многих электронных приложениях AlN выделяется своей способностью коммутировать устройства с очень высоким напряжением из-за практической реальности того, что полупроводники с меньшими характеристиками требуют нереальных толщин устройств, которые нелегко достичь с помощью современных эпитаксиальных технологий [3]. И наоборот, для AlN требуется ~ 0,7 мкм / кВ. , что делает устройства на многие десятки кВ практичными с помощью современных эпитаксиальных инструментов. Учитывая консервативный уровень внедрения на рынке коммерческой силовой электроники, Министерство обороны будет более вероятным кандидатом на раннее коммерческое внедрение. Высоковольтные преобразователи постоянного тока, переменного тока и постоянного тока в переменный ток имеют решающее значение для будущих электронных систем, включая модульные системы Power Electronic Building Block (PEBB), которые стремятся к постоянному увеличению напряжения на шине. Для AlN PEBB на 20 кВ теоретически потребуется эпитаксия толщиной ~ 14 мкм по сравнению с >70 мкм для современной технологии SiC, что значительно снижает стоимость и ограничения на конструкцию устройства. Более того, повышенная частота преобразования, обеспечиваемая AlN, уменьшит размер системы за счет уменьшения размеров связанных реактивных компонентов и упрощения их использования в модульных системах, предназначенных для PEBB. Многие твердотельные трансформаторы кВ также могут быть включены или упрощены (переключатели одного устройства вместо последовательно соединенных переключателей) с помощью AlN. Это лишь некоторые из многих энергетических приложений, которые могут быть реализованы за счет наличия полупроводника, способного работать с более высоким напряжением, который обеспечивает более высокое напряжение и, следовательно, более низкие потери проводимости, что обеспечивает невиданную ранее практичную возможность переключения одного устройства.

Материал	E_G (эВ)	V_{Насыщенность} (10⁷см/с)	E_{Критический} @10¹⁶cm^-3 (МВ)	Термальный Проводимость (Вт/м-К)	Джонсон ФОМ (10¹²ПРОТИВ)	Доступный Субстрат?	Н-тип?	П-тип?	Свет Эмиссия ?
Si	1.12	1.0	0,3	145	0,48	Да	Да	Да	No
Карбид кремния	3.26	2.0	3.1	490	10	Да	Да	Да	No
ГаН	3,45	1,4	4,9	253	11	Почти	Да	Да	Да
β-Ga2O3	4,8	1.1	10.3	27	18	Да	Да	No	No
AlN (ранг параметра)	6.1 (№1)	1.3 (#3)	15,4 (№1)	319 (#2)	32 (№1)	Да	Да Эта работа!	Да Эта работа!	Да

Радиочастотная электроника

AlN очень близок по характеристикам к GaN и превосходит GaN по термической и вольтажной способности, а также проводимости p-типа. Со скоростью насыщения 93% от GaN и уже реализованной подвижностью электронов, превышающей 400 см-1.² /В-сек [3], AlN очень мало уступает в плане прохождения тока проверенным характеристикам GaN. Тем не менее, плотность мощности в радиочастотной электронике AlN может быть выше из-за более высокой на 26% теплопроводности, которая может эффективно отводить тепло от небольших радиочастотных устройств. Аналогичным образом, поскольку AlN может выдерживать на 50% более высокие напряжения при заданной длине устройства, в AlN может быть достигнута значительная энергоэффективность по сравнению с GaN. Прогнозируется, что за счет снижения тепловыделения за счет акцента на напряжении, а не на токе и улучшенной теплопроводности будут созданы RF-устройства из AlN >50 Вт/мм – ошеломляющие возможности.

Таким образом, AlN представляет собой быстро развивающийся полупроводник, который может предложить впечатляющее и краткосрочное применение в переключателях мощности, высокотемпературной электронике, радиочастотной электронике и оптоэлектронике, чему способствуют прорывы в технологиях легирования, ставшие возможными благодаря низкотемпературной неравновесной эпитаксии. Однако AlN, как и все широкозонные полупроводники, имеет энергию образования дефектов,

зависит от положения уровня Ферми, которое контролируется примесями и дефектами, а не температурой роста, как это обнаружено для таких материалов, как GaAs и Si. Таким образом, дефекты и примеси обычно приводят к самокомпенсации, что затрудняет легирование для достижения проводимости. Мы обнаружили, что компенсацию дефектов и примесей можно уменьшить, контролируя химический состав поверхности во время роста, при этом более низкие компенсирующие концентрации вакансий являются ключевым фактором для использования выращивания при более низких температурах. Вопреки общепринятому пониманию, низкотемпературные вакуумные процессы с высоким содержанием металлов имеют более высокую длину диффузии, чем высокотемпературные методы с высоким содержанием азота [3]. Эту функцию можно использовать для ингибирования образования центров кремния-DX без ущерба для качества кристаллов.

Более того, низкие температуры приводят к экспоненциальному снижению концентрации вакансий. Таким образом, при легировании p-типа, где N-вакансии действуют как компенсирующие доноры, рост низких температур необходим для достижения проводимости p-типа. Существуют дополнительные аргументы в пользу уменьшения компенсирующих вакансий Al при легировании AlN n-типа донорами Si. Расчеты из первых принципов идентифицируют валентную зону отщепления AlN как доминирующую дырочную зону, и из-за ее аномального положения над зонами тяжелых и легких дырок примесная зона образуется при концентрациях примеси ниже, чем в GaN, даже с более глубоко изолированным энергетическим смыслом акцептора. хорошо зарекомендовавшее себя легирование примесными полосами в GaN может быть применено к AlN в более широком диапазоне концентраций примесей. Эта аномальная зонная структура обеспечивает подвижность дырок, которая существенно выше, чем это возможно в случае GaN. Получены AlN P-типа с концентрацией дырок ~4,4 × 1018 см-3 и удельным сопротивлением 0,045 Ом-см и AlN n-типа с концентрацией электронов ~6 × 1018 см-3 и удельным сопротивлением ~0,02 Ом-см.

Кроме того, способность создавать примесную зону, расширенную из изолированных акцепторных и донорных состояний, позволила оценить эффективную энергию активации акцепторов и доноров ~37 мэВ и ~35–50 мэВ соответственно [3–4], что дает существенные перспектива для будущих поколений униполярных электронных, биполярных электронных и оптических устройств AlN.

ОБЕЩАНИЕ P-ТИПА

При той же концентрации дырок (~4x10¹⁸ см^-3 ), подвижность дырок в AlN примерно в 10 раз выше, чем в GaN. Это предполагает перспективность биполярной оптики и дополнительных электронных технологий, таких как двухтактные каскады или цифровая логика, которые не практичны в GaN. Ранние транзисторные структуры демонстрируют плотность тока канала более 350 мА/мм при V._DS= 10 В для n-канальных устройств и ~ 30 мА/мм при В._DS=30 В для устройств с p-каналом, при этом ожидается значительно большее улучшение. Это означает, что асимметрия геометрии комплементарной пары составляет всего около 10:1 для AlN-транзисторов p:n-типа по сравнению с ~100:1 для GaN-транзисторов. Несмотря на то, что асимметрия компоновки 10:1 по-прежнему велика по сравнению с технологией Si, ее можно контролировать, что позволяет использовать дополнительные устройства, сохраняя при этом разумную плотность упаковки.

Почему AlN p-типа лучше, чем GaN p-типа?

AlN имеет необычную зонную структуру, которая способствует проводимости p-типа. В частности, в AlN отщепленная валентная зона расположена над вырожденными зонами тяжелых и легких дырок, что делает ее основной зоной для взаимодействия с более глубокими акцепторами (например, Be, используемым в ссылках 1-3). Это означает, что зона отщепления является зоной транспорта дырок, образующихся в результате образования примесных зон [3]. Поскольку эта отщепленная зона имеет более сильную кривизну, чем зоны тяжелых и легких дырок, эффективная масса дырок меньше, что делает подвижность дырок в этой отщепленной зоне выше [3]. Кроме того, меньшая эффективная масса приводит к снижению концентрации легирующей примеси примерно в 10 раз, при которой начинает формироваться примесная полоса, по сравнению с GaN. Это означает, что преимущество образования примесных зон (повышенная эффективность активации, более высокие концентрации дырок) проявляется при более низком легировании AlN по сравнению с GaN.

Улучшение n-типа

В то время как предыдущие попытки MOCVD [5-6] достигали максимальной концентрации электронов ~1015 см-3 при комнатной температуре, с использованием метода низкотемпературного синтеза, описанного в других местах [2-3], концентрации электронов до 6x1018 см-3 имели было достигнуто. Эти неравновесные низкотемпературные методы дополняются в литературе многообещающими работами по ионной имплантации, в которых также реализуются высокие концентрации электронов. Общим для обоих методов является отсутствие высоких температур, которые могут привести к значительному образованию вакансий, компенсирующих донорное легирование и усугубляющих тенденцию Si разрывать связь оси c с N[2-3]. Хотя более высокие концентрации легирования все еще возможны, продемонстрированные в настоящее время значения легирования достаточно высоки для формирования хороших омических контактов с выращенным (но не плазменным травлением) материалом.

ОСТАЮЩИЕСЯ ИНЖЕНЕРНЫЕ ПРОБЛЕМЫ

Основные проблемы для AlN связаны с инженерией, а не с фундаментальной наукой. Это означает, что при наличии достаточного количества времени и ресурсов все проблемы можно решить. Главными из остающихся проблем являются необходимость улучшения повторяемости легирования из-за склонности AlN поглощать примеси из вакуумной среды [1-3] и необходимость улучшения контактов с AlN [2-3]. Как показано на рисунке 1, согласно стандартной модели сродства к электрону, диапазон доступных металлов не очень хорошо согласуется по энергии с AlN. Большинство полупроводников имеют сродство к электрону ~ 4 эВ. В зависимости от того, какому отчету вы верите, сродство AlN к электрону χ составляет -0,2.< х <1,9 эВ. Это приводит к некоторым странностям контакта. Например, экспериментально металлы с высокой работой выхода использовались как для контактов p-типа (ожидается), так и n-типа (не ожидается) [1-3]. Неясно, почему эта стратегия работает, но она может быть связана с образованием сильно изогнутых барьеров Шоттки независимо от выбранного металла, что позволяет формироваться туннельным контактам. Текущая работа, поддерживаемая ВМФ, направлена на расследование причины и предложение улучшенных решений для связи.

Контакты с плазменно-травленными слоями, необходимые для квазивертикальных устройств (травление для контакта с заглубленными слоями n-типа), существенно хуже (более чем в 100 раз хуже), чем нетравленные контакты [2-3]. Требуется очистка от плазменных повреждений и поверхностных загрязнений после травления, и это изучается. Использование цифрового травления [7] и/или общедоступных методов плазменной химии, которые не являются обычными для GaN, может оказаться многообещающим. Хотя, насколько известно авторам, никто не работает над проводящими объемными подложками AlN, это нововведение приведет к тому, что области оптоэлектроники и силовой коммутационной электроники быстро расширят сферу применения и обойдут необходимость в квазивертикальных устройствах и необходимости установления контактов. на травленые поверхности. Одним из решений достижения той же цели вертикальной проводимости без необходимости использования проводящих пластин является использование эпитаксиального отрыва. Однако этот подход может ограничить общую площадь устройства и, таким образом, может повлиять на устройства с высоким током.

Одним из очень многообещающих решений в области контактов является использование контактов с градуированным составом, но это еще необходимо реализовать в AlN. Амано и др. [8] недавно продемонстрировали градиентный по составу контактный слой n-типа и p-типа для диодов AlGaN с высоким содержанием Al, которые показали замечательное удельное сопротивление в открытом состоянии 0,003 Ом-см2. Хотя на первый взгляд кажется, что это легко распространить на AlN, не столь общепризнанный факт, что степени поляризации не создают свободных носителей, а просто привлекают свободные носители из других мест, усложняет реализацию. В частности, нужен большой резервуар свободных электронов и дырок, из которого можно будет двигаться к области с градуированной поляризацией. Зачастую эти носители происходят из поверхностных состояний [9]. Но в AlN поверхностные состояния очень хорошо пассивируются оксидами Al. Таким образом, может оказаться сложнее достичь 100% содержания Al в градуированных структурах. Необходимы дополнительные исследования.

ВЫВОДЫ

Недавние разработки в области полупроводникового AlN, AlN, который может быть существенно легирован, вызвали интерес к будущим электронным и оптоэлектронным устройствам с никогда ранее не реализованными характеристиками. Низкотемпературные неравновесные методы показали успех в получении полупроводникового AlN с концентрацией свободных носителей при комнатной температуре, превышающей 4x1018 см-3 как для n-, так и для p-типа проводимости, и привели к созданию функциональных pn-диодов [2-3] и первых (неполных) ) транзисторы с впечатляющими перспективами. Хотя некоторые области еще предстоит изучить, улучшение контактов является наиболее насущной потребностью и представляет собой в первую очередь инженерную, а не фундаментальную научную задачу. И наоборот, необходимы усилия по созданию вертикальных проводящих устройств с помощью проводящих объемных пластин или методов последующей обработки, таких как эпитаксиальный отрыв.

БЛАГОДАРНОСТИ

Эта работа была поддержана Программой междисциплинарных университетских исследовательских инициатив (MURI) Управления военно-морских исследований (ONR) под названием «Использование новой теоретической парадигмы для улучшения межфазного теплового переноса в широкозонной силовой электронике» в рамках премии № N00014-17-S- F006 под управлением капитана Линн Петерсен и доктора Марка Спектора. Эта работа также частично поддерживалась Управлением научных исследований ВВС по гранту № FA9550-21-1-0318, которым руководил д-р Али Сайир, и Управлением военно-морских исследований по гранту № N00014-23-1-2013, которым руководил доктор Али Сайир. капитан Линн Петерсен.

ССЫЛКИ

[1] Х. Ахмад и У. А. Дулиттл и др., Adv. Матер. 33, 2104497 (2021).

[2] H. Ahmad и W.A. Doolittle и др., J. Appl. Физ. 131, 175701 (2022).

[3] W.A. Doolittle и др., Appl. Физ. Летт., В123 №7, (2023)

[4] CM Matthews и WA Doolittle и др., Appl. Физ. Летт. В124 №5, 052102 (2024 г.).

[5] М.Л.Накарми и др., Appl. Физ. Письмо, В85, 3769, (2004)

[6] Т. Айв и др., Appl. Физ. Письмо, В86, 024106, (2005)

[7] P. Shih и W.A. Doolittle и др., Appl. Физ. Летт. В120 №2, 022101, (2022 г.).

[8] Т. Кумабе и др., IEEE Trans. Избрать. Дев. Ранний доступ, февраль (2024 г.)

[9] Дж. П. Иббетсон, Appl. Физ. Летт., В77 №2, 250–252 (2000).

СОКРАЩЕНИЯ

AlN: нитрид алюминия