Diamond Semiconductors: открытие нового поколения силовой электроники

Поскольку поиск более эффективной силовой электроники продолжается, полупроводники со сверхширокозонной зоной становятся многообещающим направлением. В то время как карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN) добились значительного прогресса, полупроводники на основе алмаза обладают еще большим теоретическим потенциалом. В этой статье рассматриваются уникальные преимущества и текущие проблемы алмазных полупроводников, рассматриваются последние разработки устройств и освещаются практические применения, а также мнения отраслевых экспертов, в том числе Патрика Ле Февра.

Ключевые характеристики алмазных полупроводников

При сравнении фундаментальных свойств материалов, таких как свойства кремния, SiC, GaN и алмаза, алмаз неизменно выделяется в нескольких областях. Его более широкая запрещенная зона способствует более высокому критическому электрическому полю и улучшенной пробойной прочности. Алмаз также демонстрирует высокую подвижность носителей, что помогает снизить потери проводимости и поддерживать более высокую плотность тока. Кроме того, его низкая диэлектрическая проницаемость позволяет снизить потери мощности и миниатюризировать устройство, особенно в высокочастотных приложениях.

Еще одна выдающаяся особенность алмаза — исключительная теплопроводность алмаза — самая высокая среди всех известных материалов. Это свойство снижает термическое сопротивление, обеспечивая более высокую удельную мощность при заданном повышении температуры и снижая термомеханическое напряжение. Эти преимущества также делают алмаз привлекательным выбором в качестве материала термической подложки в мощных системах.

Дополнительные преимущества помимо основных параметров

Diamond предлагает несколько других преимуществ, не отраженных в стандартных таблицах свойств. Например, поверхности с концевыми водородными группами облегчают локальный обмен электронами в валентную зону, что приводит к образованию двумерного дырочного газа (2ДГГ). Этот эффект ценен для создания высокоподвижных каналов в транзисторных структурах.

Алмазная электроника также по своей природе устойчива к радиации, что делает ее подходящей для специализированных сред, таких как ядерные объекты и космические системы. В высокочастотных приложениях, особенно в субтерагерцовом и терагерцовом диапазонах, плазмонный отклик алмаза в рамках 2DHG и большое время релаксации импульса дырки обеспечивают дополнительные преимущества в производительности.

Проблемы производства субстратов и легирования

Более широкое внедрение алмазных полупроводников было ограничено трудностями в производстве больших высококачественных подложек. Метод высокого давления и высокой температуры (HPHT) позволяет производить кристаллы синтетического алмаза высокой чистоты, но обычно он ограничивается подложками типа IIa малого диаметра. Альтернативно, химическое осаждение из паровой фазы (CVD) предлагает более экономичный путь получения подложек большего размера, обычно до 2–3 дюймов в диаметре. Алмаз типа Ib, обычно используемый в электронике, по-прежнему демонстрирует более высокую плотность дефектов по сравнению с традиционными материалами, такими как SiC.

Гомоэпитаксиальный CVD-рост основан на затравочных слоях HPHT, тогда как гетероэпитаксиальные подходы используют чужеродные подложки, такие как кремний, покрытый иридием, или кубический SiC. Последнее позволяет использовать пластины большего размера, но часто приводит к более высокому уровню дефектов и механическому напряжению.

Допинг является еще одним серьезным препятствием. Хотя бор обеспечивает проводимость p-типа в алмазе, достижение высоких концентраций легирующей примеси без ухудшения качества кристалла остается затруднительным. Азот и фосфор исследовались на предмет легирования n-типа, но их глубокие энергетические уровни затрудняют реализацию эффективной проводимости n-типа при комнатной температуре.

Альтернативные методы допинга и поведение устройств

Окончание водорода предлагает еще один путь легирования посредством поверхностного переноса, обеспечивая образование 2ДГГ с подвижностью носителей около 300 см²/(В·с). Хотя это значение ниже, чем у объемного алмаза, оно остается стабильным при изменении температуры.

В алмазных устройствах с объемной проводимостью повышенная температура приводит к более высоким чистым концентрациям носителей, что приводит к отрицательному температурному коэффициенту (NTC) сопротивления во включенном состоянии. Эта необычная особенность снижает потери проводимости при высоких температурах, что дает алмазу преимущество по эффективности по сравнению с SiC и GaN при температурах выше 400–450 К. Однако поведение NTC усложняет параллельное подключение устройств из-за риска дисбаланса тока и тепловой нестабильности.

Недавние демонстрации устройств и обзор производительности

Недавние экспериментальные результаты подчеркивают потенциал алмаза:

• Диод с боковым барьером Шоттки p-типа достиг напряжения пробоя 4612 В при использовании полевой пластины Al₂O₃.

• Вертикальные p-MOSFET на основе 2DHG с диэлектриком затвора Al₂O₃ достигли проводимости тока, превышающей 1 А.

• p-MOSFET в улучшенном режиме был реализован с использованием обработки УФ-озоном для модификации поверхности с водородными концевыми группами.

Теоретический анализ, например, проведенный Донато и др., предполагает, что вертикальный алмазный полевой транзистор на 1700 В может быть в 10 раз меньше и иметь в три раза меньшие потери мощности, чем сопоставимые устройства WBG при работе при высоких температурах и высокой частоте.

Вопросы надежности и системной интеграции

По мере развития алмазных устройств надежность в экстремальных условиях остается важной областью исследований. Для оценки долгосрочной эффективности, вероятно, потребуются новые стандарты тестирования. Хотя тепловые свойства алмаза могут упростить конструкцию радиатора, интеграция алмазных компонентов с другими полупроводниками, такими как устройства WBG n-типа или кремниевые драйверы, требует тщательного теплового проектирования и проектирования упаковки.

Применение в экстремальных условиях: случай Фукусимы

Авария на АЭС Фукусима-1 в 2011 году подчеркнула необходимость создания электроники, способной работать в условиях экстремального излучения и температуры. В ответ японский стартап Ookuma Diamond Device, основанный в 2022 году в результате совместных исследований и разработок с участием нескольких национальных исследовательских институтов, разработал дифференциальный усилитель на основе алмазных МОП-транзисторов, который работает при 300 °C. Поскольку заявленный лабораторный выход достигает 90%, этот пример иллюстрирует потенциал алмаза в реальных условиях эксплуатации в суровых условиях.