首先ALN MOSFET展示承诺和挑战

超宽的带隙(UWBG)材料可以扩大宽带盖(WBG)材料(例如碳化硅)(SIC)和氮化碳(GAN)在电源转换应用中提供的改进范围。在本文中，我们总结了基于UWBG铝(ALN)的MOSFET设备的最初初始演示 。开创性的工作突出了在电力转换应用中使用该材料的一些承诺和挑战。

UWBG材料

需要数十年的研发才能成功地将新的材料系统商业化。 UWBG材料处于这项工作的初始阶段。这些材料比传统硅(SI)和WBG材料提供的理论优势可以证明它们在创建功能设备中所带来的众多障碍。

当前正在研究的UWBG材料的特征是带隙超过4个，关键击穿场可能是WBG材料提供的2到5倍。这些材料可以在超高电压和温度环境中提供显着优势，以及启用应用，例如光子和柔性集成电路，超辐射电阻等等。

作为对功率转换中常用的优点(FOM)的自然发展，UWBG材料的理论优势可以生产具有较低特异性的耐药性(R ON)的设备，以进行给定的故障电压(V BR)或较小的对话同一r的死区域。这会导致较小的电容，从而走向更快的切换途径。更快的切换又有助于减少转换器中的被动组件并提高其功率密度。

ß-GA 2 O 3， Diamond和Aln是正在研究的一些最有希望的UWBG材料。表1列出了其中的一些属性，并将其与SI和WBG材料进行了比较。

表1：UWBG，SI和WBG材料的某些特性

现在让我们讨论制造基于ALN的电源设备所涉及的一些挑战。

Aln Power设备

高带隙和导热率是ALN的关键优势。此外，直接的带隙和辐射公差为其在光子集成电路和极端环境电子中的使用创造了潜力。但是存在几个挑战，其中一些列出了下面：

· 底物和生长：ALN具有3个晶体结构，由于相对容易的生长机制，六角形排列最广泛。 ALN晶体具有2800°C的高熔点和高脱离的压力，使标准技术(例如热熔体)变得困难。物理蒸气转运(PVT)已用于生长散装ALN晶体，位错密度低于10 4 /cm2，但尺寸约为50 mm或更小。 缺乏可行的天然基材使得难以制造垂直电源设备。蓝宝石底物上的外延ALN生长提供了低成本的方法，但是螺纹脱位密度可以产生载体补偿并增加泄漏。具有金属有机化学蒸气沉积(MOCVD)的外延过度生长(ELO)以及具有高温退火的脉冲溅射沉积(PSD)是减少这些缺陷的有前途的方法。

· 掺杂和接触形成：ALN中N型SI供体的电离能量超过250 mV。这与较高兴奋剂水平的供体补偿相同，很难实现良好的欧姆接触。例如，在1×10 19 /cm 3的Si掺杂浓度下，在室温下在ALN中占1×10 17 /cm 3 。这个问题也可以在钻石中看到，这使得对v BR度量的R与理想的，全能电离估计值的吸引力要低得多。

ALN MOSFET的演示

在第一次展示ALN MOSFET时，作者最初着重于提高N掺杂ALN的接触性。由Ti/al/ti/au组成的金属堆栈被溅射到蓝宝石上的MOCVD生长的Aln上，形成圆形传输线(CTLM)模式。生长的Si掺杂浓度为4.5 x 10 18 /cm 3。在750°C至950°C的温度下，将触点在N 2环境中退火。

所有接触均显示出非欧味的行为，表明N-ALN和金属接触之间存在障碍。对超过10 V的准线性区域的分析表明，950°C退火产生的最低特异性接触电阻为0.148Ω-CM 2，以及16.5mΩ/sq的板电阻。该条件用于MOSFET的源/排水接触形成。 MOSFET的示意图横截面如图1所示。

这些设备最初是通过等离子体蚀刻来分离的。在源/排水金属化和退火之后，将250 nm厚的N-ALN顶层嵌入170 nm，并将30 nm厚的氧化铝(Al 2 O 3)栅极介电沉积并进行图案。最终形成了PT/AU门金属。 MOSFET的栅极长度为20µm，通道宽度为400µm，栅极凹陷宽度为10µm。

图1：基于ALN的MOSFET的横截面示意图

MOSFET是耗尽模式(D模式)，阈值电压V Th为-10.91 V，高阈值斜率为7.92 V/十年，表明较高的陷阱状态密度。基于总电阻计算，据估计，通道电阻有助于制造设备的抗性大部分，该设备的抗性为3.65MΩ-mm。这可以通过设备缩放和设计改进来优化。设备的传输特性如图2所示。

在较高的排水偏见下增加的阳离子电流归因于半构造的ALN层中的身体泄漏，可能是由于缺陷而产生的。获得2.06 x 10 2的ON/OFF电流比。当创建首选增强模式设备时，可以降低此ON/OFF比率，这可能指出在实际功率转换应用中使用cascode配置与D模式设备一起使用。该横向装置的击穿电压由门/排水间距确定，并在250 V左右测量，对应于0.5 mV/cm的场。将通道的迁移率提取到2.95 cm 2 /v·S，远低于大量N-ALN膜进行的测量。

图2：基于ALN的MOSFET的传输曲线

结论

在这项工作中强调了创建可行的Aln MOSFET的一些挑战。泄漏，通道迁移率和阻力的改善将创造前进的路径。有效的P型掺杂还可以在设备体系结构选项中进行更大的选择。分级的Al X Ga Y N设备可以改善某些约束，并在包括SIC和SI在内的各种底物上创建高质量的胶片方面有更多的经验。 ALN与ß-GA2O3和Diamond一起仍处于UWBG设备探索的早期阶段，并且随着更多努力的发展，预计将来会有许多突破。