Разработка силовых транзисторов для высоковольтных приложений требует материалов с широкой запрещённой зоной и высокой критической напряжённостью электрического поля. Моноклинный β-Ga2O3 выделяется шириной запрещённой зоны около 4,8 эВ и расчётным критическим полем до 8 МВ/см, что делает его перспективной платформой для силовой электроники. Однако равномерно легированные каналы в таких транзисторах страдают от компромисса между подвижностью и толщиной: для высокой подвижности нужно слабое легирование, но тогда канал должен быть толстым, что увеличивает длину затвора и усиливает короткоканальные эффекты. Модуляционное легирование в гетероструктурах β-(AlxGa1-x)2O3/β-Ga2O3 решает эту проблему, формируя двумерный электронный газ с высокой подвижностью без ионизированных примесей в канале. Ранее такие структуры изучали в основном для радиочастотных применений, а их потенциал для высоковольтной работы оставался мало исследованным. Данная работа заполняет этот пробел, демонстрируя рекордное напряжение пробоя для модуляционно-легированных транзисторов на оксиде галлия.
Гетероструктуры выращивали методом металлоорганического химического осаждения из газовой фазы (MOCVD) в реакторе Agnitron Agilis 100 на подложках Fe-легированного (010) β-Ga2O3. Сначала осаждали буферный слой нелегированного β-Ga2O3 толщиной около 100 нм, затем спейсер β-(Al0.19Ga0.81)2O3 толщиной 5 нм, после чего вводили δ-легирование кремнием с дозой 1 нмоль и выращивали барьерный слой β-(Al0.19Ga0.81)2O3 толщиной 20 нм. Для формирования контактов истока и стока проводили травление на глубину 80 нм через маску SiO2, чтобы обнажить канал, и затем повторно выращивали сильно легированный n++ β-Ga2O3 толщиной 120 нм. Контакты Ti/Ni наносили электронно-лучевым испарением и отжигали при 470 °C. Изоляцию активных областей выполняли плазменным травлением, а для подавления утечки затвора осаждали 9 нм Al2O3 методом плазменно-усиленного атомно-слоевого осаждения. Затвор из Ni толщиной 120 нм формировали испарением, после чего прибор пассивировали слоем SiNx толщиной 250 нм, осаждённым при 350 °C. Измерения напряжения пробоя проводили в жидкости Flourinert для предотвращения поверхностного пробоя в воздухе.
Холловские измерения канала показали плотность носителей 3,2×10¹² см⁻², подвижность 132 см²/В·с и слоевое сопротивление 14,8 кОм/кв. Транзистор с размерами LGS/LG/LGD=1,5/2/3 мкм продемонстрировал пороговое напряжение −0,7 В, подпороговый наклон 94 мВ/дек, отношение токов ION/IOFF более 10⁸ и ток утечки в закрытом состоянии ниже 1,5×10⁻¹⁰ А/мм. Максимальный ток стока достиг 54 мА/мм, а сопротивление в открытом состоянии составило 149 Ом·мм. Напряжение пробоя монотонно росло с увеличением расстояния затвор–сток: от 545 В при LGD=3 мкм до 6,6 кВ при LGD=28 мкм. Среднее латеральное электрическое поле насыщалось на уровне около 2,4 МВ/см для LGD>13 мкм. Удельное сопротивление в открытом состоянии для прибора с LGD=28 мкм составило 196 мОм·см², что дало показатель качества по мощности 222 МВт/см² — рекорд для β-(AlxGa1-x)2O3/β-Ga2O3 MODFET. Двумерное электростатическое моделирование для LGD=13 мкм при напряжении 3 кВ показало, что пиковое поле локализовано у края затвора и достигает 12 МВ/см в барьерном слое, что указывает на возможность дальнейшего улучшения с помощью методов управления полем.
Работа демонстрирует, что модуляционно-легированные гетероструктуры β-(AlxGa1-x)2O3/β-Ga2O3 способны выдерживать напряжения в несколько киловольт без использования полевых пластин или краевой терминации. Это отличает её от соседних исследований, которые фокусировались либо на радиочастотных свойствах таких MODFET, либо на высоковольтных транзисторах с равномерно легированными каналами, где требовались сложные методы управления полем. Здесь же рекордное напряжение пробоя достигнуто за счёт самого материала и архитектуры с двумерным электронным газом, что упрощает конструкцию и открывает путь к масштабированию. Результат ставит β-Ga2O3 MODFET в один ряд с лучшими латеральными транзисторами на оксиде галлия и подтверждает их потенциал для силовой электроники следующего поколения.
Дальнейшее развитие может идти по пути интеграции полевых пластин и оптимизации краевой терминации, чтобы приблизить среднее поле пробоя к теоретическому пределу β-Ga2O3 (8 МВ/см). Улучшение качества гетероструктуры, например, снижение параллельной проводимости в δ-легированном слое, позволит повысить подвижность двумерного электронного газа и уменьшить сопротивление канала. Перспективно также масштабирование длины затвора для снижения удельного сопротивления в открытом состоянии при сохранении высокого напряжения пробоя. Исследование надёжности приборов при длительной работе под высоким напряжением станет важным шагом к практическому применению.
Результаты повлияют на разработку силовых преобразователей, инверторов для электромобилей, систем передачи энергии и импульсных источников питания, где требуются компактные приборы с напряжением пробоя в несколько киловольт.
Ближайшие шаги включают внедрение полевых пластин для подавления пикового поля у края затвора, оптимизацию профиля δ-легирования для повышения подвижности и проведение испытаний на надёжность при высоких напряжениях и температурах.
В области силовой электроники на оксиде галлия остаётся нерешённой проблема достижения высокого напряжения пробоя одновременно с низким удельным сопротивлением в открытом состоянии. Данная работа показывает, что модуляционное легирование может смягчить этот компромисс, но пиковое поле у края затвора всё ещё ограничивает среднее поле пробоя, что требует дальнейших исследований по управлению электрическим полем.
Этот раздел адресован автору работы и его коллегам. Соседние работы нашёл смысловой поиск по нашему архиву — не по совпадению слов, а по смыслу. Мы не рецензируем: мы показываем поле вокруг.
Что сделано в работе
В работе создан модуляционно-легированный полевой транзистор на гетероструктуре β-(Al0.19Ga0.81)2O3/β-Ga2O3 с двумерным электронным газом, выращенный методом MOCVD. Прибор показал рекордное напряжение пробоя 6,6 кВ при расстоянии затвор-сток 28 мкм, среднее латеральное поле 2,4 МВ/см и показатель качества 222 МВт/см².
В чём сила
Достигнутое сочетание высокого напряжения пробоя и качества по мощности демонстрирует потенциал модуляционного легирования в оксиде галлия для высоковольтных приложений, преодолевая компромисс между подвижностью и толщиной канала.
Куда можно двигаться
Что можно попробовать
Почему это может быть важно
Развитие высоковольтных Ga2O3-транзисторов может привести к созданию компактных силовых преобразователей для электротранспорта и энергосетей, снижая потери и повышая эффективность.
Работы рядом в нашем архиве
Вокруг этой работы в архиве пусто: ближайший разбор всего на 0.54, при обычных 0.64. Похоже, рядом почти не бурили.
Напряжение пробоя 6,6 кВ достаточно для прямого переключения в распределительных сетях среднего напряжения, которые обычно работают при 4–35 кВ, а сам прибор имеет ширину всего 100 мкм.