«Один из самых больших недостатков в мире микроэлектроники — это всегда рациональное использование энергии: дизайнеры всегда стремятся снизить избыточное энергопотребление и ненужное тепловыделение», — сказал Грегг Джессен, главный инженер-электронщик в Исследовательской лаборатории ВВС. «Обычно это делается путем масштабирования устройств. Но технологии, используемые сегодня, уже масштабированы до пределов рабочего напряжения, необходимого для многих приложений.
Они ограничены своей критической напряженностью электрического поля».Прозрачные проводящие оксиды — это ключевой новый материал в полупроводниковой технологии, предлагающий маловероятную комбинацию проводимости и прозрачности во всем видимом спектре. В частности, один проводящий оксид имеет уникальные свойства, которые позволяют ему хорошо работать при переключении мощности: Ga2O3 или оксид галлия, материал с невероятно большой шириной запрещенной зоны.В своей статье, опубликованной на этой неделе в Applied Physics Letters от AIP Publishing, авторы Масатака Хигашиваки и Джессен обрисовывают в общих чертах вариант производства микроэлектроники с использованием оксида галлия.
Авторы сосредотачиваются на полевых транзисторах (FET), устройствах, которые могут значительно выиграть от большой критической напряженности электрического поля оксида галлия. качество, которое, по словам Джессена, могло позволить проектировать полевые транзисторы с меньшей геометрией и агрессивными профилями легирования, которые разрушили бы любой другой материал полевых транзисторов.Гибкость материала для различных применений обусловлена широким диапазоном возможных значений проводимости — от высокой проводимости до очень изолирующей — и способностью выдерживать высокое напряжение пробоя благодаря напряженности электрического поля. Следовательно, оксид галлия может быть сильно увеличен.
Пластины оксида галлия большой площади также могут быть выращены из расплава, что снижает производственные затраты.«Следующим применением оксида галлия будут униполярные полевые транзисторы для источников питания», — сказал Джессен. «Критическая напряженность поля является здесь ключевым показателем, и это приводит к превосходной плотности энергии. Критическая напряженность поля оксида галлия более чем в 20 раз выше, чем у кремния, и более чем в два раза выше, чем у карбида кремния и нитрида галлия».Авторы обсуждают методы производства пластин Ga2O3, возможность управления электронной плотностью и проблемы с переносом дырок.
Их исследования показывают, что униполярные устройства на основе Ga2O3 будут доминировать. В их статье также подробно рассказывается о применении Ga2O3 в различных типах полевых транзисторов и о том, как этот материал может использоваться в высоковольтных, мощных и силовых приложениях.
«С точки зрения исследований оксид галлия действительно интересен», — сказал Джессен. «Мы только начинаем понимать весь потенциал этих устройств для нескольких приложений, и сейчас прекрасное время для участия в этой области».