Vertikale Galliumoxid-MOSFETs Nun kostengünstig und leicht herzustellen

Schematischer Schnitt durch den vertikalen Galliumoxid-MOSFET.
Schematischer Schnitt durch den vertikalen Galliumoxid-MOSFET.

Ein vollständiges Ionen-Implantationsverfahren für den Wide-Bandgap-Halbleiter Galliumoxid haben Forscher aus Japan vorgestellt. Da sich dieser nun sowohl n- als auch p-dotieren lässt, eröffnet sich Weg hin zu einer neuen Generation von kostengünstigen und leicht herzustellenden Leistungsschaltern.

Heute dominieren Leistungsbauelemente aus Silizium den Markt, aber sie stoßen an grundlegende Grenzen der Leistungsfähigkeit, was handelsübliche Energieanlagen sperrig und ineffizient macht. Eine neue Generation von Leistungsbauelementen auf Basis des Wide-Bandgap-Halbleiters Galliumoxid (Ga2O3) soll die Leistungselektronik revolutionieren. Denn es verspricht, Größe, Gewicht, Kosten und Verlustleistungen von Energieanlagen drastisch zu senken, indem es sowohl die Leistungsdichte als auch den Wirkungsgrad der Leistungswandlung auf Komponentenebene erhöht.

Durch die wegweisende Demonstration des ersten monokristallinen Ga2O3-Transistors durch das National Institute of Information and Communications Technology (NICT) im Jahr 2011 wurden intensive internationale Forschungsaktivitäten zur Wissenschaft und Technik dieses neuen Oxidhalbleiters angestoßen [1]. Seit einigen Jahren konzentriert sich die Entwicklung von solchen Transistoren auf eine laterale Struktur. Allerdings ist eine solche Struktur nicht für die für viele Anwendungen erforderlichen hohen Ströme und Spannungen geeignet, da die Bauteile relativ groß werden und aufgrund von Selbsterhitzung und Instabilität der Oberfläche die Zuverlässigkeit zum Problem wird.

Im Gegensatz dazu ermöglicht eine vertikale Transistorstruktur höhere Ströme, ohne die Chipfläche vergrößern zu müssen, und sie vereinfacht das Wärmemanagement und bietet einen deutlich besseren Feldabschluss. Dazu sind aber gezielte Verunreinigungen des Halbleiters (Dotierungen) nötig. Eine n-Dotierung stellt bei eingeschaltetem Transistor die Elektronen bereit, um elektrischen Strom zu transportieren; die p-Dotierung sorgt für die entsprechende Spannungsfestigkeit bei ausgeschaltetem Transistor.

Eine von Masataka Higashiwaki geführte Gruppe am NICT hat bei der Verwendung von Silizium als n-Dotierstoff in Ga2O3-Komponenten Pionierarbeit geleistet, aber die Forschergemeinde hat lange gekämpft, um einen geeigneten p-Dotierstoff zu finden. Anfang 2018 veröffentlichte die gleiche Forschergruppe eine Studie über den Einsatz von Stickstoff (N) für die p-Dotierung [2]. Ihre neueste Errungenschaft besteht darin, n- und p-Dotierung mit Silizium und Stickstoff zu integrieren. Dadurch war es möglich, einen Ga2O3-Transistor per Ionenimplantation herzustellen. Die Ionenimplantation ist eine flexible Fertigungstechnik, die in der Massenproduktion von herkömmlichen Silizium- und Siliziumkarbid-MOSFETs weit verbreitet ist.

Diese Studie, die am 3. Dezember in den IEEE Electron Device Letters als Early-Access-Online-Papier veröffentlicht wurde und in der Januar-Ausgabe 2019 der Zeitschrift erscheinen soll, baut auf einer früheren Studie auf, die einen anderen Dotierstoff als Akzeptor einsetzte [3]. »Ursprünglich haben wir Magnesium für die p-Typ-Dotierung untersucht, aber dieses Dotierungsmittel konnte nicht die erwartete Wirkung erbringen, da es bei hohen Prozesstemperaturen signifikant diffundiert«, erklärt Man Hoi Wong, ein Forscher am NICT und Erstautor der Studie. »Stickstoff hingegen ist thermisch viel stabiler, was einzigartige Möglichkeiten für die Entwicklung und Konstruktion einer Vielzahl von Hochspannungsbauelementen aus Galliumoxid bietet.«

Das Ga2O3-Basismaterial für die Herstellung des vertikalen MOSFETs stammt von einer Kristallzuchttechnik namens Halogenid-Dampfphasenepitaxie (Halide Vapor Phase Epitaxy, HVPE). Entwickelt von den Professoren Yoshinao Kumagai und Hisashi Murakami an der Tokyo University of Agriculture and Technology (TUAT), lassen sich mit HVPE einkristalline Ga2O3-Schichten schnell und mit geringem Verunreinigungsgrad züchten [4]. Drei Ionenimplantationsschritte wurden durchgeführt, um die n-Kontakte, den n-Kanal und die p-Stromsperrschichten (Current Blocking Layer, CBL) im MOSFET zu formen (Bild 1).

Das Bauteil zeigte gute elektrische Eigenschaften, einschließlich einer Stromdichte von 0,42 kA/cm², einem spezifischen On-Widerstand von 31,5 mΩ·cm² und ein hohes Ein/Aus-Verhältnis des Drain-Stroms von mehr als acht Zehnerpotenzen (Bild 2). Weitere Leistungssteigerungen sollen sich mit verbesserter dielektrischer Qualität des Gates und optimierten Dotierungsschemata ohne weiteres erreichen lassen.

Der technologische Nutzen von Ga2O3 wird durch die Verfügbarkeit von aus der Schmelze gezogenen nativen Galliumoxid-Substraten erheblich verstärkt ­– einer der wichtigsten Erfolgsfaktoren für Silizium als Halbleitermaterial. »Die Kommerzialisierung von vertikalen SiC- und GaN-Leistungsbauelementen wurde bis zu einem gewissen Grad durch die hohen Substratkosten behindert. Für Ga2O3 bieten die hohe Qualität und die großformatigen nativen Substrate einen einzigartigen und signifikanten Kostenvorteil gegenüber den etablierten Wide-Bandgap-Technologien SiC und GaN«, erklärten die Forscher.

Originalpublikation

Man Hoi Wong, Ken Goto, Hisashi Murakami, Yoshinao Kumagai, and Masataka Higashiwaki, Current Aperture Vertical β-Ga2O3 MOSFETs Fabricated by N- and Si-Ion Implantation Doping, IEEE Electron Device Letters

DOI: 10.1109/LED.2018.2884542

Referenzen

[1] M. Higashiwaki, K. Sasaki, A. Kuramata, T. Masui, and S. Yamakoshi, Gallium oxide (Ga2O3) metal-semiconductor field-effect transistors on single-crystal β-Ga2O3 (010) substrates, Appl. Phys. Lett., vol. 100, no. 1, p. 103504, Jan. 2012.

[2] M. H. Wong, C.-H. Lin, A. Kuramata, S. Yamakoshi, H. Murakami, Y. Kumagai, and M. Higashiwaki, Acceptor doping of β-Ga2O3 by Mg and N ion implantations, Appl. Phys. Lett., vol. 113, no. 10, p. 102103, Sep. 2018.

[3] M. H. Wong, K. Goto, Y. Morikawa, A. Kuramata, S. Yamakoshi, H. Murakami, Y. Kumagai, and M. Higashiwaki, All-ion-implanted planar-gate current aperture vertical Ga2O3 MOSFETs with Mg-doped blocking layer, Appl. Phys. Express, vol. 11, no. 6, p. 064102, Jun. 2018.

[4] H. Murakami, K. Nomura, K. Goto, K. Sasaki, K. Kawara, Q. T. Thieu, R. Togashi, Y. Kumagai, M. Higashiwaki, A. Kuramata, S. Yamakoshi, B. Monemar, and A. Koukitu, Homoepitaxial growth of β-Ga2O3 layers by halide vapor phase epitaxy, Appl. Phys. Express, vol. 8, no. 1, p. 015503, Jan. 2015.