AlN semiconduttore: un nuovo mercato del nitruro III in rapida espansione|Huaqing Chinei.com

AlN semiconduttore: un nuovo mercato del nitruro III in rapida espansione

Dec 11, 2024

Astratto

Il nitruro di alluminio (AlN) è un materiale di grande interesse per le applicazioni del prossimo futuro, tra cui elettronica di potenza ad alte prestazioni, dispositivi a semiconduttore per ambienti estremi, dispositivi a radiofrequenza (RF) e optoelettronica nell'ultravioletto profondo (DUV) grazie alle sue eccellenti proprietà elettriche, ottiche e termiche [1-3]. Rispetto ad altri semiconduttori comunemente usati (ad esempio Si, SiC, GaN e β-Ga2O3), AlN ha il campo elettrico critico e la tensione di rottura teorica più elevati, il che lo porta ad avere le cifre di merito di Baliga e Johnson più alte [3 ]. L'AlN ha anche una delle velocità di saturazione e conduttività termica più elevate tra i semiconduttori con un substrato disponibile in commercio [3]. Tuttavia, l'AlN è stato tradizionalmente solo un isolante senza la possibilità di essere convertito in un semiconduttore tramite un drogaggio sostanziale. Recentemente abbiamo dimostrato un sostanziale drogaggio di massa (concentrazioni di portatori superiori a 1018 cm-3) per AlN di tipo p e n utilizzando rispettivamente droganti di Be e Si [1,2]. Da questi risultati, abbiamo anche dimostrato il raddrizzamento e un'accensione a 6 V nei diodi AlN PN[2,3]. Le prime strutture di transistor mostrano una densità di corrente di oltre 350 mA/mm a VDS=10 V per dispositivi a canale n e ~30 mA/mm a VDS=30 V per dispositivi a canale p con miglioramenti significativamente maggiori attesi in tempi rapidi. Considerata l’infrastruttura esistente per supportare i dispositivi AlN e il salto di prestazioni possibile con un materiale con bandgap di 6,1 eV e elevata conduttività termica, si prevede che i mercati AlN si svilupperanno rapidamente con molti dispositivi che si sviluppano in parallelo, riducendo i costi complessivi dell’ecosistema e offrendo le massime prestazioni piattaforma di semiconduttori fino ad oggi.

INTRODUZIONE

Perché sviluppare un altro ecosistema di semiconduttori? Come descritto nella Tabella 1, AlN ha la banda proibita più ampia di qualsiasi semiconduttore con un substrato disponibile in commercio, quasi il doppio di quello di GaN e SiC, i due semiconduttori con banda proibita ampia di maggior successo oggi disponibili. Questo gap di banda molto più ampio offre enormi balzi in termini di prestazioni con AlN che ha sia il campo critico più alto che le figure di merito di Baliga e Johnson. AlN è l'unica soluzione a semiconduttore attualmente nota per l'ottica UV profonda (LED con lunghezza d'onda di ~ 200 nm, LASER e fotorilevatori). Nell'elettronica RF e di commutazione di potenza, l'AlN offre molto più di un semplice miglioramento evolutivo delle prestazioni del dispositivo rispetto ai semiconduttori maturi GaN e SiC ad ampio bandgap che sono gli attori dominanti nell'elettronica RF e di potenza. Inoltre, AlN condivide l’infrastruttura dell’ecosistema (substrati, strumenti di epitassia, strumenti di fabbricazione, catena di fornitura, ecc.) con il suo fratello minore, GaN, rendendo il costo di sviluppo una piccola frazione di quanto normalmente richiesto per portare un semiconduttore dall’infanzia alla maturità. Tuttavia, a differenza del GaN, esiste una solida tecnologia del substrato AlN per il trasporto fisico del vapore (PVT) (2" è comune, con 4" dimostrato ma non ancora in vendita) con un modello di costi e tempi noto preso in prestito dall'esperienza SiC PVT, suggerendo 6-8 I wafer potrebbero essere disponibili entro il 2030 se la domanda giustifica ulteriori investimenti. Infine, AlN è qui oggi, il cui sviluppo richiede solo tempo di progettazione e non innovazioni tecnologiche significative.

MERCATI EMERGENTI

Esistono tre mercati ovvi e a breve termine per l'AlN: optoelettronica (in particolare emettitori); Elettronica di potenza di commutazione; ed elettronica RF.

Optoelettronica

Negli ultimi anni, i LED DUV hanno preso di mira i ~270 nm perché questa lunghezza d'onda viene facilmente assorbita dalle sostanze organiche virali e batteriche. Questa lunghezza d’onda si trova al “picco” della “curva di estinzione” che descrive la forza di assorbimento e la tendenza a interrompere la replicazione delle specie virali/batteriche. Tuttavia, nella curva di estinzione intorno a 200 nm esiste un picco ancora più sensibile che indica un mezzo più efficiente di sterilizzazione contro specie virali e batteriche che si allinea bene con il picco di emissione di AlN. Per questo motivo, i LED AlN DUV sono di grande interesse e devono ancora essere dimostrati. Lo sviluppo di potenti sorgenti luminose DUV consentirebbe la sterilizzazione ottica praticamente di qualsiasi superficie senza preoccuparsi dell’interazione con gli esseri umani. La luce a 200 nm è più sicura della luce a 270 nm in quanto viene assorbita negli strati morti della pelle ed è meno incline a provocare il cancro della pelle.

Elettronica di potenza di commutazione

In molte applicazioni elettroniche, l'AlN è unico nella sua capacità di commutare dispositivi ad altissima tensione a causa della realtà pratica che i semiconduttori meno capaci necessitano di spessori dei dispositivi non realistici non facilmente ottenibili con le attuali tecnologie epitassiali [3]. Al contrario, l'AlN richiede ~0,7 µm/kV , rendendo pratici dispositivi di molte decine di kV con gli attuali strumenti epitassiali. Considerato il livello conservatore di adozione del mercato dell’elettronica di potenza commerciale, il Dipartimento della Difesa sarebbe un candidato più probabile per un’adozione commerciale anticipata. I convertitori DC-DC, AC-DC e DC-AC ad alta tensione sono fondamentali per i futuri sistemi elettronici, inclusi i sistemi modulari Power Electronic Building Block (PEBB) che ricercano un funzionamento del bus a tensione sempre crescente. Per AlN, un PEBB da 20 kV richiederebbe teoricamente ~ 14 µm di epitassia rispetto a >70 µm per l'attuale tecnologia SiC, riducendo notevolmente i costi e i vincoli di progettazione del dispositivo. Inoltre, la maggiore frequenza di conversione consentita da AlN ridurrebbe le dimensioni del sistema rendendo i componenti reattivi associati più piccoli e più facili da gestire nei sistemi modulari destinati al PEBB. Molti trasformatori a stato solido kV potrebbero anche essere abilitati o semplificati (interruttori a dispositivo singolo invece di interruttori collegati in serie) da AlN. Queste sono solo alcune delle numerose applicazioni di potenza che possono essere abilitate disponendo di un semiconduttore con tensione più elevata che consente una tensione più elevata e quindi perdite di conduzione inferiori per consentire una capacità di commutazione di un singolo dispositivo mai vista prima.

Materiale	E_G (eV)	V_Saturazione (10⁷cm/s)	E_Critico @10¹⁶cm^-3 (MV)	Termico Conduttività (W/m-K)	Johnson FOM (10¹²V/S)	Disponibile Substrato?	Tipo N?	Tipo P?	Leggero Emissione ?
Si	1.12	1.0	0,3	145	0,48	SÌ	SÌ	SÌ	No
SiC	3.26	2.0	3.1	490	10	SÌ	SÌ	SÌ	No
GaN	3.45	1.4	4.9	253	11	Quasi	SÌ	SÌ	SÌ
β-Ga2O3	4.8	1.1	10.3	27	18	SÌ	SÌ	No	No
AlN(rango parametro)	6.1 (#1)	1.3 (#3)	15.4 (#1)	319 (#2)	32 (#1)	SÌ	SÌ Questo lavoro!	SÌ Questo lavoro!	SÌ

Elettronica RF

L'AlN ha prestazioni molto vicine al GaN e supera il GaN in termini di capacità termica e di tensione e di conduzione di tipo p. Con una velocità di saturazione pari al 93% di GaN e mobilità degli elettroni già realizzate superiori a 400 cm² /V-sec [3], AlN cede molto poco in termini di flusso di corrente alla capacità comprovata di GaN. Tuttavia, la densità di potenza nell'elettronica RF AlN può essere maggiore grazie a una conduttività termica superiore del 26% che può diffondere in modo efficiente il calore lontano dai piccoli dispositivi RF. Allo stesso modo, poiché AlN è in grado di gestire tensioni superiori del 50% per una data lunghezza del dispositivo, è possibile ottenere una sostanziale efficienza energetica in AlN rispetto a GaN. Riducendo la generazione di calore enfatizzando la tensione anziché la corrente e con una migliore conduttività termica, si prevedono dispositivi RF AlN >50 W/mm: una capacità sbalorditiva.

Pertanto, l'AlN è un semiconduttore in rapida espansione che può offrire uno sfruttamento eccezionale e a breve termine nella commutazione di potenza, nell'elettronica ad alta temperatura, nell'elettronica RF e nell'optoelettronica facilitato dalle scoperte nelle tecnologie di drogaggio consentite dall'epitassia di non equilibrio a bassa temperatura. Tuttavia, AlN, come tutti i semiconduttori ad ampio gap di banda, ha energie di formazione di difetti che lo sono

dipendente dalla posizione del livello di Fermi che è controllata da impurità e difetti, non dalla temperatura di crescita come riscontrato per materiali come GaAs e Si. Pertanto, i difetti e le impurità provocano tipicamente un'autocompensazione che rende problematico il doping per ottenere la conduttività. Abbiamo scoperto che la compensazione dei difetti e delle impurità può essere ridotta controllando la chimica della superficie durante la crescita, con concentrazioni di posti vacanti compensativi inferiori che rappresentano un fattore chiave per l'utilizzo della crescita a temperature più basse. Contrariamente alla credenza comune, è stato dimostrato che i processi sottovuoto a bassa temperatura e ricchi di metalli hanno lunghezze di diffusione maggiori rispetto ai metodi ricchi di azoto ad alta temperatura [3]. Questa caratteristica può essere utilizzata per inibire la formazione del centro di silicio-DX senza compromettere la qualità dei cristalli.

Inoltre, le basse temperature portano ad una concentrazione di posti vacanti esponenzialmente inferiore. Pertanto, per il drogaggio di tipo p in cui le vacanze di N agiscono come donatori compensatori, la crescita a bassa temperatura è vitale per ottenere una conduttività di tipo p. Esistono argomenti complementari per ridurre i posti vacanti di Al di compensazione quando si droga AlN di tipo n con donatori di Si. I calcoli dei primi principi identificano la banda di split-off di valenza dell'AlN come la banda delle lacune dominante e, a causa della sua posizione anomala sopra le bande delle lacune pesanti e leggere, si forma una banda di impurità a concentrazioni di drogante inferiori rispetto a quelle del GaN, anche con un significato energetico di accettore isolato più profondo il collaudato drogaggio della banda di impurità nel GaN può essere applicato all'AlN su un intervallo più ampio di concentrazioni di impurità. Questa struttura anomala delle bande facilita mobilità dei fori sostanzialmente più elevate di quelle possibili con il GaN. Sono stati ottenuti AlN di tipo P con concentrazioni di lacune di ~4,4 × 1018 cm-3 e resistività di 0,045 Ω-cm e AlN di tipo n con concentrazioni di elettroni di ~6 × 1018 cm-3 e resistività di ~0,02 Ω-cm.

Inoltre, la capacità di creare una banda di impurità espansa dagli stati isolato di accettore e donatore ha portato a stime dell'effettiva energia di attivazione di accettori e donatori pari a ~37 meV e ~35-50 meV, rispettivamente [3-4], offrendo sostanziali promessa per le future generazioni di dispositivi elettronici unipolari, elettronici bipolari e ottici AlN.

PROMESSA DI TIPO P

Per la stessa concentrazione di fori (~4x10¹⁸ cm^-3 ), la mobilità dei buchi nell'AlN è circa 10 volte quella del GaN. Ciò suggerisce la promessa di ottica bipolare e tecnologie elettroniche complementari come stadi push-pull o logica digitale non praticabili in GaN. Le prime strutture dei transistor mostrano una densità di corrente del canale di oltre 350 mA/mm a V_DS=10 V per dispositivi a canale n e ~30 mA/mm a V_DS=30 V per i dispositivi a canale P con miglioramenti significativamente maggiori attesi. Ciò significa che l'asimmetria della geometria della disposizione delle coppie complementari è solo di circa 10:1 per i transistor AlN di tipo p:n rispetto a circa 100:1 per i transistor GaN. Pur essendo ancora ampia rispetto alla tecnologia Si, l'asimmetria del layout 10:1 è gestibile e consente dispositivi complementari pur mantenendo una densità di imballaggio ragionevole.

Perché l'AlN di tipo p è migliore del GaN di tipo p?

AlN ha una struttura a bande insolita che funziona a suo favore per la conduzione di tipo p. Nello specifico, in AlN, la banda di valenza scissa si trova sopra le bande degenerate dei buchi pesanti e leggeri, rendendola la banda primaria per interagire con gli accettori più profondi (come Be usato nei riferimenti 1-3). Ciò significa che la banda di split-off è la banda di trasporto per i buchi formati attraverso la formazione di bande di impurità [3]. Poiché questa banda divisa ha una curvatura più forte rispetto alle bande dei fori pesanti e leggeri, la massa effettiva del foro è più piccola, rendendo la mobilità dei fori più elevata in questa banda divisa [3]. Inoltre, la massa effettiva più piccola determina una concentrazione di drogante circa 10 volte inferiore in cui inizia a formarsi la banda di impurità rispetto al GaN. Ciò significa che il vantaggio della formazione di bande di impurità (maggiore efficienza di attivazione, concentrazioni di lacune più elevate) si verifica con un drogaggio inferiore in AlN rispetto a GaN.

Il miglioramento di tipo n

Mentre i precedenti sforzi MOCVD [5-6], hanno raggiunto il massimo con una concentrazione di elettroni di ~1015 cm-3 a temperatura ambiente, utilizzando il metodo di sintesi a bassa temperatura descritto altrove [2-3], concentrazioni di elettroni fino a 6x1018 cm-3 hanno stato raggiunto. Questi metodi a bassa temperatura non in equilibrio sono integrati in letteratura da promettenti lavori di impianto ionico in cui si realizzano anche elevate concentrazioni di elettroni. La caratteristica comune di entrambi i metodi è l'evitamento delle alte temperature che possono provocare una significativa generazione di posti vacanti che compensano il doping del donatore e aggravano la tendenza del Si a rompere il suo legame sull'asse c con N[2-3]. Sebbene possano ancora essere possibili concentrazioni di drogaggio più elevate, i valori di drogaggio attualmente dimostrati sono sufficientemente elevati da formare buoni contatti ohmici con il materiale così cresciuto (ma non inciso al plasma).

SFIDE INGEGNERICHE RIMANENTI

Le sfide principali per AlN sono basate sull’ingegneria, non sulla scienza fondamentale. Ciò significa che con tempo e risorse sufficienti è possibile affrontare tutte le sfide. Le principali sfide rimanenti sono la necessità di migliorare la ripetibilità del doping a causa della tendenza dell'AlN a ottenere impurità dall'ambiente del vuoto [1-3] e la necessità di migliorare i contatti con l'AlN [2-3]. Come mostrato nella Figura 1, in base al modello di affinità elettronica standard, la gamma di metalli disponibili non si allinea bene in termini di energia con AlN. La maggior parte dei semiconduttori ha un'affinità elettronica di ~ 4 eV. A seconda del rapporto a cui credi, l'affinità elettronica di AlN, χ, è -0,2< χ <1,9 eV. Ciò porta ad alcune stranezze di contatto. Ad esempio, sperimentalmente, metalli ad alta funzione di lavoro sono stati utilizzati sia per contatti di tipo p (previsto) che di tipo n (non previsto) [1-3]. Non è chiaro il motivo per cui questa strategia funziona, ma potrebbe essere correlata alla formazione di barriere Schottky fortemente piegate indipendentemente dal metallo selezionato, consentendo la formazione di contatti nel tunnel. L’attuale lavoro sostenuto dalla Marina sta indagando sulla causa e offrendo soluzioni di contatto migliorate.

I contatti con strati incisi al plasma necessari per dispositivi quasi-verticali (attacco per stabilire il contatto con strati sepolti di tipo n) sono sostanzialmente peggiori (>100 volte peggiori) dei contatti non incisi [2-3]. La pulizia post-incisione dei danni al plasma e dei contaminanti superficiali è necessaria ed è in fase di studio. L'uso dell'incisione digitale [7] e/o dei prodotti chimici del plasma comunemente disponibili che non sono comuni al GaN possono essere promettenti. Sebbene, per quanto a conoscenza degli autori, nessuno stia lavorando su substrati conduttivi AlN sfusi, questa innovazione farebbe sì che i campi dell'optoelettronica e dell'elettronica di commutazione di potenza espandessero rapidamente le applicazioni e bypassassero la necessità di dispositivi quasi-verticali e la necessità di stabilire contatti alle superfici incise. Una soluzione per ottenere lo stesso obiettivo di conduzione verticale senza la necessità di wafer conduttivi è utilizzare il decollo epitassiale. Tuttavia, questo approccio potrebbe limitare l'area complessiva del dispositivo e quindi avere un impatto sui dispositivi ad alta corrente.

Una soluzione di contatto molto promettente consiste nell'utilizzare contatti classificati a livello compositivo, ma ciò deve ancora essere implementato in AlN. Amano et al [8], hanno recentemente dimostrato sia uno strato di contatto di tipo n che di tipo p a composizione graduata su diodi AlGaN ad alta composizione di Al che hanno mostrato una notevole resistenza specifica di 0,003 Ω-cm2. Sebbene a prima vista ciò sembri semplice da estendere all'AlN, il fatto non così apprezzato che i gradi di polarizzazione non creano portatori liberi ma semplicemente attraggono portatori liberi da altre posizioni complica l'implementazione. Nello specifico, è necessario un ampio serbatoio di elettroni liberi e lacune da cui attingere verso la regione graduata di polarizzazione. Spesso questi portatori provengono da stati superficiali [9]. Ma nell'AlN, gli stati superficiali sono molto ben passivati dagli ossidi di Al. Pertanto, potrebbe rivelarsi più difficile raggiungere composizioni di Al al 100% in strutture graduate. Sono necessarie ulteriori ricerche.

CONCLUSIONI

I recenti sviluppi nell'AlN semiconduttore, AlN che può essere sostanzialmente drogato in massa, hanno creato entusiasmo per i futuri dispositivi elettronici e optoelettronici con prestazioni mai realizzate prima. I metodi a bassa temperatura e fuori equilibrio hanno mostrato successo nel ottenere AlN semiconduttore con concentrazioni di portatori liberi a temperatura ambiente superiori a 4x1018 cm-3 sia per conduzione di tipo n che p e hanno portato a diodi pn funzionali [2-3] e primi (incompleti) ) transistor con promesse impressionanti. Sebbene alcune aree restino da esplorare, il miglioramento dei contatti è la necessità più immediata ed è principalmente una sfida ingegneristica, non scientifica. Al contrario, sono necessari sforzi per creare dispositivi a conduzione verticale tramite wafer sfusi conduttivi o metodi di post-elaborazione come il lift off epitassiale.

RICONOSCIMENTI

Questo lavoro è stato supportato dal programma Multidisciplinary University Research Initiatives (MURI) dell'Office of Naval Research (ONR) intitolato "Leveraging a New Theoretical Paradigm to Enhance Interfacial Thermal Transport in Wide Bandgap Power Electronics" con il premio n. N00014-17-S- F006 amministrato dal capitano Lynn Petersen e dal dottor Mark Spector. Questo lavoro è stato anche in parte sostenuto dall'Ufficio di ricerca scientifica dell'aeronautica militare con il premio n. FA9550-21-1-0318 amministrato dal Dr. Ali Sayir e dall'Ufficio di ricerca navale con il premio n. N00014-23-1-2013 amministrato dal capitano Lynn Petersen.

RIFERIMENTI

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

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

[3] WA Doolittle, et al, Appl. Fis. Lett., V123 #7, (2023)

[4] C. M. Matthews e W. A. Doolittle, et al, Appl. Fis. Lett. V124 #5, 052102 (2024).

[5] M. L. Nakarmi, et al, Appl. Fis. Lett., V85, 3769, (2004)

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

[7] P. Shih e W. A. Doolittle, et al, Appl. Fis. Lett. V120 #2, 022101, (2022).

[8] T. Kumabe et al., IEEE Trans. Eletto. Dev. Accesso anticipato febbraio (2024)

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

ACRONIMI

AlN: nitruro di alluminio