Gallium-oksidi tehotransistoreita ennätysarvoilla

Galliumoksidisiru, jossa on transistori- ja mittausrakenteita. Se on valmistettu FBH:ssa projisointitografialla.

Tehokkaat elektroniikkakomponentit ovat välttämättömiä tulevaisuuden viestinnässä, yhteiskunnan digitaalisessa muutoksessa ja tekoälysovelluksissa.

Mahdollisimman pienen jalanjäljen ohella niiden tulisi tarjota alhainen energiankulutus ja saavuttaa yhä suurempia tehotiheyksiä. Tämä on se raja missä perinteiset piirit saavuttavat rajansa. Siksi tutkijat ympäri maailmaa tutkivat uusia materiaaleja ja komponentteja, jotka täyttäisivät nämä vaatimukset.

Ferdinand-Braun-instituutti (FBH) on nyt saavuttanut läpimurron galliumoksidiin (ß-Ga2O3) perustuvilla transistoreilla. Heidän kehittämät beta-Ga2O3 -MOSFETit tarjoavat suuren läpilyöntijännitteen yhdistettynä suureen virranjohtokykyyn.

Peräti 1,8 kilovoltin läpilyöntijännitteellä ja ennätyksellisellä tehoarvolla 155 megawattia neliösenttimetrillä saavutetaan ainutlaatuiset suoritusarvot lähellä galliumoksidin teoreettista materiaalirajaa.

Samaan aikaan saavutetut läpilyönnin kenttävahvuudet ovat huomattavasti suuremmat kuin vakiintuneilla laajan kaistaeron puolijohteilla, kuten piikarbidilla tai galliumnitridillä.

Näiden parannusten saavuttamiseksi FBH-ryhmä käsitteli kerrosrakennetta ja porttitopologiaa. Perustan tuottivat Leibniz Institute for Crystal Growthin substraatit optimoidulla epitaksiaalikerroksen rakenteella. Seurauksena oli, että vikatiheyttä voitiin vähentää ja sähköisiä ominaisuuksia parantaa.

Portti on kenttävaikutustransistorien keskeinen "kytkentäpiste", jota ohjataan hila-lähde -jännitteellä. Sen topologiaa on edelleen optimoitu, mikä mahdollistaa korkeiden kenttävahvuuksien vähentämisen portin reunalla. Tämä puolestaan johtaa suurempiin läpilyöntijännitteisiin.

Alle mikrometrin porttipituutta yhdistettynä portin syväykseen käytettiin pienten On-tilan resistanssin aikaansaamiseksi kohtuullisilla kynnysjännitteillä yli –24 voltilla.

Kompensaatioseostettujen korkealaatuisten kiteiden, implantointipohjaisen rakenteiden välisen eristyksen ja SiNx -passivoinnin yhdistelmä tuotti jatkuvasti korkeat keskimääräiset läpilyönnin kenttävahvuudet 1,8–2,2 megavolttia per senttimetri portin ja nielun väleillä 2–10 mikrometriä.

Aiheesta aiemmin:

Vertikaalinen tehotransistori galliumoksidista

Uusia puolijohteita tehoelektroniikkaan

Galliumoksidia mikroelektroniikkaan