Лучше кремния: ученые получили полупроводниковый материал с более совершенными характеристиками
В силовой полупроводниковой электронике, как и во многих других областях полупроводниковой электроники, возможности кремния, основного полупроводникового материала, оказались практически исчерпанными. Поэтому ученые ведут интенсивный поиск материалов с новыми свойствами, которые позволили бы обеспечить качественный рывок в достижимых величинах напряжений и токов и рабочих температурах при сохранении высокой эффективности работы.
Ключом здесь является переход к так называемым широкозонным материалам, в которых требуется сообщить электронам атомов очень большую энергию, чтобы они начали участвовать в переносе электрического тока. Чем больше ширина запрещённой зоны, тем более высокое напряжение можно приложить к контактам прибора, не вызывая электрического пробоя, и тем ближе можно расположить контакты, уменьшая сопротивление, а значит, электрические потери мощности, и тем при более высокой температуре устройство будет сохранять свою работоспособность.
Ученые НИТУ «МИСиС», ФТИ им. А.Ф. Иоффе и компании «Совершенные кристаллы» продемонстрировали возможность изготовления нового материала и эффективного управления его свойствами с помощью дешёвой и экономичной технологии его выращивания. Материал является перспективной альтернативой кремнию в приборах силовой полупроводниковой электроники, области, имеющей дело с разработкой приборов и устройств, осуществляющих коммутацию, преобразование, усиление электрических сигналов с большими токами и напряжениями, т.е. с большой мощностью. Материал позволяет работать с более высокими напряжениями, при более высоких температурах, с меньшими потерями мощности.
Последние примерно двадцать лет прошли под знаком перехода в силовой электронике от кремния с шириной запрещённой зоны 1,2 эВ и электрическим полем пробоя 0.3 МВ/см к карбиду кремния SiC и нитриду галлия GaN c запрещённой зоной 3,3–3, 4 эВ и электрическим полем пробоя большим в десять раз, около 3 МВ/см. Но даже такое увеличение критического поля, вызывающего пробой, оказывается недостаточным для всё возрастающих требований к силовым приборам в современном мире.
В настоящее время наибольшее внимание ученых привлекает оксид галлия, Ga2O3, существующий в нескольких кристаллических модификациях- политипах, среди которых важнейшим является стабильный политип β-Ga2O3 с шириной запрещённой зоны 4,8 эВ и полем пробоя 8 МВ/см. Однако и другие, менее стабильные политипы, в частности, α-Ga2O3, также заслуживают внимания и изучения, потому что их запрещённая зона ещё больше (5,2 эВ для α-Ga2O3), кристаллическая структура более симметрична, такие плёнки можно растить на очень дешёвых и высокосовершенных подложках сапфира с той же кристаллической структурой, что и α-Ga2O3, а наличие большого количества родственных окислов металлов с той же структурой и интересными свойствами позволяет создавать разнообразные полезные комбинации.
К сожалению, выращивание совершенных плёнок α-Ga2O3и нахождение подходящих легирующих примесей, которые позволили бы управлять проводимостью плёнок в широком диапазоне, представляет трудную задачу. Её решению посвящено совместное исследование группы учёных в ФТИ им. А.Ф. Иоффе и компании «Совершенные кристаллы» в Санкт-Петербурге и группы в НИТУ «МИСиС» в Москве.
Петербургская часть коллектива, руководимая профессором Владимиром Николаевым, руководителем лаборатории физики профилированных кристаллов, сумела вырастить толстые плёнки α-Ga2O3с достаточно высоким структурным совершенством и ввести в плёнки примесные атомы олова, поставляющие электроны и изменяющие проводимость плёнок в очень широких пределах. Рост проводился с помощью метода галоидной эпитаксии, ранее широко использовавшегося в данной лаборатории для получения и легирования совершенных кристаллов и плёнок нитрида галлия и твёрдых растворов на его основе. Такие структуры широко используются для создания мощных светодиодов и лазеров, полупроводниковых выпрямителей, мощных транзисторов на основе InGaAlN. Легирование плёнок α-Ga2O3 оловом в процессе выращивания осуществлялось с использованием паров летучих солей олова.
В московской группе исследователей под руководством заведующего лабораторией широкозонных материалов и приборов, профессора Александра Полякова из приготовленных плёнок были сделаны тестовые диодные структуры и подробно изучены электронные свойства материала, а также электронная структура имеющихся в нём примесей и дефектов. Свойства оказались похожими на свойства, изученные ранее для стабильного политипа β-Ga2O3. Полученные результаты вселяют оптимизм касательно перспектив использования α-Ga2O3в силовых приборах, хотя ещё потребуется провести очень серьёзные дополнительные исследования, чтобы повысить стабильность материала и улучшить его характеристики и их воспроизводимость.
Статья о разработке опубликована в журнале APL Materials.
