أجهزة درجات الحرارة القصوى باستخدام AlN

توفر الثنائيات والترانزستورات مع قنوات AlN فولتية انهيار عالية وتعمل في درجات حرارة عالية بشكل لا يصدق.

يتوسع عدد من الأنشطة البشرية في البيئات القاسية، وغالبًا ما يكون الدافع وراء ذلك هو استغلال الموارد. وقد أخذ هذا الاستكشاف في اتجاهات مختلفة، بما في ذلك أعماق الأرض، وإلى أعماق كبيرة في البحر وإلى الفضاء السحيق. في كل هذه البيئات تكون درجة الحرارة متطرفة – فهي تتجاوز 300 درجة مئوية على سطح كوكب الزهرة، وفي حفر الآبار العميقة، وفي الفضاء داخل محرك يعمل.

لمعرفة المزيد عن كل هذه البيئات يتطلب نشر أجهزة الاستشعار. لكن أكثرها وضوحا ــ تلك التي تعتمد على السيليكون ــ لا ترقى إلى مستوى المهمة، وذلك بسبب الحد الأقصى لدرجة حرارة التشغيل المنخفضة نسبيا. وهذا يعني أنه من أجل إثراء حياتنا من هذه البيئات، نحتاج إلى تطوير إلكترونيات تتحمل درجات الحرارة القصوى.

الشكل 1. مسار تيار التسرب ونقاط التدهور الحراري في MESFET مع أكسيد البوابة.

عندما يتم تشغيل جميع أشكال أجهزة أشباه الموصلات في درجات حرارة قصوى، فإنها تواجه مشكلات مرتبطة بالمواد والأقطاب الكهربائية وأكاسيد البوابة والتغليف (انظر الشكل 1). مع زيادة درجة الحرارة، يتم إنشاء العديد من أزواج ثقب الإلكترون، بسبب إثارة الإلكترونات من نطاق التكافؤ الأقصى إلى نطاق التوصيل الأدنى. هذه الإلكترونات، التي تزيد من تركيز الناقل الداخلي (انظر الشكل 2 (أ)) ضارة، لأنها تزيد من تيار التسرب للأجهزة وتمنعها من التوقف. تشمل خيارات تقليل تيار التسرب إدخال مواد شبه موصلة ذات فجوة نطاق طاقة أكبر وتركيزات حاملة جوهرية أقل (انظر الشكل 2 (ب))، أو تقييد انتشار التيار من مناطق أخرى غير القناة. إن التحول إلى طبقة قناة محاطة بطبقات عالية المقاومة والتي تحتوي على تركيزات منخفضة من المانح/المستقبل الفعال وتركيزات منخفضة من العيوب يمكن أن يؤدي إلى رفع درجة حرارة تشغيل الجهاز. هناك طريقة أخرى تتمثل في نشر الأجهزة ذات وصلات p-n، مثل JFETs وBJTs. في هذه الحالات، من المهم أيضًا اختيار معادن مقاومة للحرارة للأقطاب الكهربائية ذات التفاعل الأدنى مع أشباه الموصلات الأساسية. على وجه الخصوص، التيتانيوم والفاناديوم والتنتالوم والموليبدينوم والتنغستن والبلاتين أفضل لهذا الغرض من الألومنيوم والمغنيسيوم والنحاس والفضة والإنديوم والذهب.

 لماذا استخدام آلن؟

هناك العديد من المواد شبه الموصلة ذات فجوة طاقة أكبر من السيليكون. وهي تشمل SiC (3.3 فولت)، GaN (3.4 فولت)، Ga₂O₃ (4.7-5.2 فولت)، الماس (5.5 فولت)، وAlN (6.1 فولت). أفاد فريق ناسا، بقيادة فيليب نيوديك، أن SiC JFETs يمكن أن تعمل في درجات حرارة تزيد عن 800 درجة مئوية. في حين أن هذه نتيجة مثيرة للإعجاب بلا شك، فإن المواد ذات فجوات النطاق الأوسع تعد بالوصول إلى درجات حرارة أعلى. ومع ذلك، عدد غير قليل منهم لديهم عيوب كبيرة. يعاني GaN من تركيز عالي الفعالية للمانحين يبلغ 10¹⁶ سم^-3; ليس من الممكن تكوين النوع p Ga₂O₃ طبقات؛ ويبدأ الماس في التفاعل مع الأكسجين عند حوالي 700 درجة مئوية. وفي تناقض صارخ، لا يوجد لدى AlN أي عيوب واضحة، ويوفر استقرارًا حراريًا وتنشيطًا يمكن التحكم فيه. ونظرًا لهذه السمات، فقد كرّس فريقنا في جامعة تسوكوبا كل اهتمامنا لـ AlN لتطوير أجهزة تتحمل درجات الحرارة القصوى.

تاريخيًا، كان من المفترض أن AlN جيد فقط كعازل. ومع ذلك، منذ حوالي 20 عامًا، أظهر يوشيتاكا تانياسو وزملاؤه في NTT أن هذا ليس هو الحال من خلال تنمية طبقات AlN الموصلة كهربائيًا بواسطة MOCVD.

سجل هذا الفريق حركة إلكترون تبلغ 426 سم² V^-1 s^-1 لطبقات AlN المشبعة بالسيليكون، لتركيز المنشطات 3 × 10¹⁷ سم^-3. بناءً على هذا العمل، استمروا في الريادة في نمو AlN من النوع p وعرضوا أول مصابيح AlN LED بطول موجة يبلغ 210 نانومتر وثنائيات AlN p-n شبه العمودية. يعود الفضل في هذه النجاحات إلى التطور السريع الأخير لمصابيح LED للأشعة فوق البنفسجية العميقة المعتمدة على AlGaN وAlN.

الشكل 2. (أ) رسم توضيحي لتوليد زوج من ثقب الإلكترون في درجات حرارة عالية. ( ب ) تركيز الناقل الجوهري للسيليكون و SiC و GaN و β-Ga2O3 و AlN كدالة لدرجة الحرارة المتبادلة.

بالإضافة إلى الأجهزة البصرية، قام مجتمع البحث بدراسة صمامات حاجز AlN Schottky وAlN/AlGaN HEMTs، لاستكشاف الفوائد المحتملة للمجال الكهربائي عالي الأهمية. ولسوء الحظ، تعاني هذه الأجهزة من انخفاض تركيز الموجة الحاملة، بسبب طاقات التأين العالية للمانحين والمتقبلين - وهي 0.3 فولت للسيليكون و0.6 فولت للمغنيسيوم. ونتيجة لذلك، فإن تركيزات الناقل لكل من هذه المنشطات تكون أقل بحوالي أمرين من تركيزاتها، مما يتسبب في أن يكون للأجهزة تيارات صغيرة جدًا. للتغلب على هذه المشكلة، قام فريقنا، بالتعاون مع باحثين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة آلتو، بفتح آفاق جديدة من خلال إدخال المنشطات المستحثة بالاستقطاب في هياكل AlGaN/AlN القطبية N. بفضل الاستقطابات التلقائية والكهرضغطية، يمكن لهذا النوع من المنشطات أن يزيد من مقاومة التيار ويقلل من مقاومة التلامس. باستخدام المنشطات المستحثة بالاستقطاب، أظهرنا أول PolFETs وHEMTs المستندة إلى N-polar AlN مع تيارات تصريف تزيد عن 100 مللي أمبير ملم. لقد قادنا هذا النجاح إلى النظر إلى AlN باعتباره أشباه موصلات عملية للأجهزة الضوئية والكهربائية.

لإنتاج هذه الأجهزة، تمكنا من الاعتماد على عدد من موردي المواد. يمكن شراء عينات AlN عالية الجودة على ركائز من الياقوت مقاس 2 بوصة من Dowa Electronics Materials، ويتوفر AlN بحجم 2 بوصة تجاريًا من ستانلي واساهي كاسي.

الشكل 3. (أ) ملامح العمق لتركيز شوائب السيليكون والأكسجين والكربون في طبقة AlN مزروعة بالسيليكون بسمك 3 ميكرومتر بعد التلدين عند درجة حرارة 1600 درجة مئوية. ( ب ) ملامح العمق لتركيز المغنيسيوم في طبقة AlN مزروعة بالمغنيسيوم بسماكة 1 ميكرومتر بعد التلدين.

 المنشطات آلن

التحكم في تركيز المنشطات في أشباه الموصلات هو دمج الشوائب أثناء نمو البلورات، وكذلك الانتشار الحراري وربما الزرع. وهذه الأخيرة عبارة عن تقنية جذابة، تتيح التحكم الدقيق في الجرعة وتضمن تجانسًا جانبيًا عاليًا للمنشط. ومع ذلك، عند استخدام جرعات عالية من الغرسات، فإنها تميل إلى إتلاف الشبكات البلورية وإدخال تركيزات عالية من العيوب النقطية، والتي يمكن أن تعوض الناقلات. لحسن الحظ، يمكن إصلاح معظم هذا الضرر عن طريق التلدين بعد الحراري، والذي استخدمناه عند إنتاج قناة AlN من النوع n المزروعة بالسيليكون.

إحدى السمات المثيرة للإعجاب لبلورات AlN، بما في ذلك أسطحها، هي المتانة عند درجات الحرارة المرتفعة، مع الثبات تحت غاز النيتروجين عند درجة حرارة تصل إلى 1700 درجة مئوية. توفر هذه المتانة نافذة واسعة لإصلاح تلف الزرع - تتطلب هذه العملية درجات حرارة أعلى من 1200 درجة مئوية للتنشيط الكهربائي لطبقة AlN المزروعة بالسيليكون. لاحظ، مع ذلك، أن هناك حاجة إلى الكثير من التفكير عند اختيار درجة حرارة التلدين، لأنها يمكن أن تؤدي إلى تغييرات أخرى في المادة. أبعد من 1400 درجة مئوية، تنتشر شوائب السيليكون والأكسجين داخل الطبقة أعلاه. بسبب انتشار ذرات الأكسجين من ركيزة الياقوت، والتي تتحلل عند 1500 درجة مئوية تحت غاز النيتروجين، فإن طبقة AlN الرقيقة على ركيزة الياقوت سيكون لها تركيز أكسجين عالي بعد التلدين بدرجة حرارة عالية، مما يؤدي إلى تدهور الخصائص الكهربائية.

الشكل 4. (أ) المقطع العرضي لحاجز شوتكي الثنائي مع قناة AlN المزروعة بالسيليكون. أنود Ni/Au وكاثود Ti/Al/Ti/Au. ( ب ) خصائص الجهد والكثافة الحالية لصمام حاجز AlN Schottky من 27 درجة مئوية إلى 827 درجة مئوية.

من خلال التعاون مع معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، وجامعة آلتو، TNSC، وDowa Electronics Materials، قمنا بدراسة انتشار ذرات السيليكون والأكسجين والمغنيسيوم في AlN (انظر الشكل 3). كشفت تحقيقاتنا أن ذرات الأكسجين المنتشرة من ركيزة الياقوت لا يمكنها الوصول إلى طبقة القناة بعد التلدين باستخدام طبقات AlN بسمك 3 ميكرومتر. قادنا هذا إلى استنتاج أن نطاقات درجة حرارة التلدين المفضلة لطبقات AlN الموصلة كهربائيًا مع غرسات السيليكون والمغنيسيوم هي 1200-1600  درجة مئوية و1400-1500  درجة مئوية، على التوالي. مكنتنا هذه المعرفة من عرض أول ترانزستورات قناة AlN.

عندما يتضمن تصنيع الأجهزة ظروفًا قريبة من التوازن الحراري، مثل النمو الفوقي والتليين بدرجة حرارة عالية، يكون تشكيل الحالات العميقة مع طاقات التأين 250-320 ميلي فولت هو المفضل. وهذا يميل إلى أن يؤدي إلى التعويض الذاتي للمتبرع بالسيليكون، وهو وضع يتفق مع نتائجنا.

وفي الوقت نفسه، فإن استخدام العمليات غير المتوازنة، مثل زرع الأيونات، يتيح زيادة في عدد السكان من الجهات المانحة الضحلة مع طاقات التأين من 64-86 ميغا فولت. أدى ذلك إلى قيام هايدن بريكنريدج وزملائه في جامعة نورث كارولينا وشركة Adroit Materials بإنتاج طبقة موصلة للغاية من AlN عن طريق زرع السيليكون وما بعد التلدين عند درجة حرارة منخفضة نسبيًا تبلغ 1200 درجة مئوية. وهناك نتيجة مشجعة أخرى، قادمة من جامعة كيوتو، وهي أن طاقة الارتباط البديلة لمستقبل المغنيسيوم لـ AlN تبلغ 250-410 ميلي فولت فقط، وهي قيمة أصغر بكثير من طاقة التأين لمستقبلات المغنيسيوم في طبقات AlN المشتركة التي تنمو في MOCVD. تشير هذه النتائج مجتمعة إلى أنه إذا كان من الممكن التحكم في ظروف العملية غير المتوازنة بسهولة وتكرار في AlN المشبع بالسيليكون والمغنيسيوم، فقد يفتح هذا الباب أمام الأجهزة الإلكترونية والبصرية ذات الأداء المحسن بشكل ملحوظ.

الشكل 5. (أ) المقطع العرضي التخطيطي لMESFET مع قناة AlN المزروعة بالسيليكون. ( ب ) خصائص خرج التيار المستمر لـ AlN MESFET عند 727 درجة مئوية.

 الخواص الكهربائية لـ AlN

لتحسين الأداء الكهربائي للأجهزة المعتمدة على AlN، هناك ما يجب فعله أكثر من مجرد معالجة المقاومة العالية لطبقات AlN من النوع n والنوع p التي تضعف بسبب تركيزات الموجات الحاملة المنخفضة. بالإضافة إلى ذلك، هناك حاجة لمعالجة مقاومة التلامس العالية الناتجة عن تقارب الإلكترون الصغير.

من الصعب بشكل خاص إجراء اتصال أومي في درجة حرارة الغرفة في AlN. ويخضع انخفاض الجهد لارتفاع حاجز شوتكي، والذي يعتمد على الفرق بين وظيفة الشغل المعدني وألفة الإلكترون لأشباه الموصلات. من الممكن إنتاج اتصالات أومية عن طريق خفض ارتفاع الحاجز المحتمل من خلال الاختيار المناسب لمواد الإلكترود. خيارات AlN من النوع n هي التيتانيوم والألومنيوم والفاناديوم والموليبدينوم، بينما يمكن للاتصالات الأومية بـ AlN من النوع p استخدام البلاديوم وأكسيد النيتروجين.

أحد الآثار المترتبة على المنشطات الثقيلة في المواد شبه الموصلة هو انخفاض في عرض منطقة النضوب، مما يؤدي إلى حفر الأنفاق من خلال الحواجز المحتملة. يعد التطعيم الثقيل لسطح AlN العلوي مهمًا جدًا للاتصالات الأومية. ومع ذلك، نظرًا لأن تركيز منشطات السيليكون والمغنيسيوم في طبقات AlN يقتصر على حوالي 10¹⁹ سم^-3ربما بسبب تكوين عيوب التعويض، ليس هناك احتمال لحفر أنفاق الانبعاثات الميدانية.

لتحديد تركيز الموجة الحاملة وحركتها في الهياكل شبه الموصلة، يميل الباحثون إلى اللجوء إلى قياسات تأثير هول. نظرًا لأن هذه القياسات تحتاج إلى سلوك أومي، فقد استخدمت بعض الدراسات طبقات اتصال GaN مخدرة بشكل كبير. وقد مكن هذا من تحديد الخواص الكهربائية لـ AlN، سواء في درجة حرارة الغرفة أو في درجات الحرارة المرتفعة. جنبًا إلى جنب مع آخرين، قمنا بتقييم تركيز الموجة الحاملة وتنقلها عند درجات حرارة عالية، وحصلنا على قيم النوع n والنوع p AlN عند درجات حرارة تتجاوز 200 درجة مئوية و500 درجة مئوية، على التوالي.

الشكل 6. رسم بياني مرجعي، يقارن نسبة التشغيل/الإيقاف الحالية مقابل درجة حرارة القياس لأجهزة AlN مع الأجهزة الأخرى الحديثة (أ) صمامات حاجز شوتكي و(ب) FETs.

عند إجراء هذه الدراسة، اكتشفنا مشكلة جديدة مرتبطة بقياسات درجات الحرارة المرتفعة. كان علينا استخدام محطة مسبار، حيث كنا نفتقر إلى تقنيات الربط والتعبئة لدرجات الحرارة القصوى. لقد وجدنا أيضًا أن أطراف المسبار العادية تتدهور عند درجات الحرارة المرتفعة. لاحظ أن معظم الأجهزة المبلغ عنها لديها درجة حرارة تشغيل قصوى لا تزيد عن 500 درجة مئوية، مما يعني أن قياسات الخواص الكهربائية لا يمكن الاعتماد عليها عند درجات حرارة أعلى من ذلك.

من خلال العمل مع Dowa Electronics Materials، قمنا بتقييم الخصائص الكهربائية لطبقات AlN بسمك 3 ميكرومتر على ركائز الياقوت باستخدام نظام مسبار عالي الحرارة يوفر درجة حرارة قياس قصوى تبلغ 900 درجة مئوية في فراغ عالٍ. في هذا الجهد، قمنا بزرع السيليكون في طبقة AlN في درجة حرارة الغرفة للحصول على موصلية من النوع n؛ كان التركيز 2 × 10¹⁹ سم^-3 في ملف تعريف صندوق بعمق 150 نانومتر. تم تلدين طبقات AlN المزروعة بالسيليكون بعد ذلك عند درجة حرارة 1500 درجة مئوية. قمنا بعد ذلك بإيداع أقطاب كهربائية Ti/Al/Ti/Au لجهات الاتصال الأومية، قبل التلبيد عند درجة حرارة 950 درجة مئوية.

تدهورت أقطابنا الكهربائية عند درجة حرارة 877 درجة مئوية، ربما بسبب تفاعل بين Ti/Al وAlN. قادنا هذا إلى البحث عن معادن مناسبة للاتصالات الأومية في درجات الحرارة القصوى. بالنسبة لدرجات الحرارة التي تمكنا من أخذها في الاعتبار، لاحظنا وجود علاقة بين التيار والجهد تكون غير خطية أقل من 127 درجة مئوية وخطية تقريبًا فوق 227 درجة مئوية. أظهر تقييم الخواص الكهربائية بين 227 درجة مئوية و827 درجة مئوية أن مقاومة الصفائح ومقاومة التلامس تنخفض مع زيادة درجة الحرارة. من 227 درجة مئوية إلى 627 درجة مئوية، مع زيادة درجة الحرارة، انخفضت حركة الإلكترون قليلاً، لكن تركيز الإلكترون زاد بسبب التأين المعزز للمانحين، مما أدى إلى انخفاض مقاومة الصفائح عند درجات الحرارة المرتفعة. قادنا هذا إلى استنتاج أن طبقات AlN من النوع n تظهر أداءً ممتازًا في درجات الحرارة القصوى.

 الثنائيات والترانزستورات

لقد قمنا بتصنيع ثنائيات حاجز شوتكي وMESFETs مع طبقات AlN المزروعة بالسيليكون على ركائز الياقوت. الثنائيات لدينا قادرة على العمل عند درجة حرارة 827 درجة مئوية (انظر الشكل 4)، متجاوزة جميع الأرقام القياسية السابقة، في حين أن الترانزستورات لدينا يمكن أن تعمل عند درجة حرارة تصل إلى 727 درجة مئوية (انظر الشكل 5). تتميز الثنائيات الحاجزة AlN Schottky بجهد انهيار يبلغ 610 فولت عند درجة حرارة الغرفة، في حين أن القيمة المقابلة لـ AlN MESFETs عند 727 درجة مئوية هي 176 فولت. نحن حريصون على الإشارة إلى أن هذه الأجهزة مجدية عمليًا، لأنها تتميز بميزة بسيطة الهيكل، ويتم زراعة طبقات AlN على ركائز كبيرة ومنخفضة التكلفة من الياقوت.

لتصنيع ثنائيات حاجز شوتكي وMESFETs، استخدمنا Ni/Au للاتصالات بالأنود والبوابة. لقد وجدنا أن النيكل مستقر حراريًا، ولا يتفاعل كثيرًا مع AlN، حتى عند درجة حرارة 827 درجة مئوية. علاوة على ذلك، فيما يتعلق بالخصائص الكهربائية، وجدنا فرقًا بسيطًا بين Ni/Au وPt/Au. بالنسبة للصمام الثنائي لحاجز شوتكي، يكون التيار المنقطع صغيرًا، حتى عند 827 درجة مئوية، وذلك بسبب انخفاض تركيز الناقل الداخلي وواجهة Ni / AlN المستقرة حرارياً. ومع ذلك، فإن تيار التصريف خارج الحالة لـ AlN MESFET مرتفع عند 727 درجة مئوية، بسبب التسرب عبر طبقات AlN السفلية غير المنشورة والتركيز العالي للعيوب. على عكس التيار في أجهزة السيليكون، الذي ينخفض عند درجات حرارة عالية بسبب تشتت الفونون، اكتشفنا أن التيار الأمامي لثنائيات حاجز AlN Schottky وMESFET يستمر في الزيادة مع درجة حرارة تصل إلى 827 درجة مئوية. نعزو ذلك إلى التيار الموجود في أجهزة AlN عند درجات الحرارة القصوى التي تهيمن عليها الزيادة في تركيز الإلكترون وانخفاض مقاومة التلامس، مع انخفاض حركة الإلكترون الذي يلعب دورًا ثانويًا.

إن تطويرنا لأجهزة AlN يمهد طريقة جديدة لصنع أجهزة أشباه الموصلات التي يمكن أن تعمل في درجات حرارة قصوى. على الرغم من وجود مفاضلة بين نسبة التشغيل والإيقاف ودرجة حرارة صمامات حاجز شوتكي وFETs (انظر الشكل 6)، فإن أجهزة AlN لديها إمكانات كبيرة للتحسين. على سبيل المثال، ينبغي أن يكون من الممكن زيادة نسبة التشغيل/الإيقاف عند درجات الحرارة القصوى من خلال مزيج من النمو الفوقي المتجانس وإدخال هيكل JFET. يمكن أن تأتي تحسينات إضافية من إدخال اتصالات أومية تتحمل الحرارة، بدلاً من Ti/Al/Ti/Au، وهي خطوة من شأنها زيادة درجة حرارة التشغيل إلى أكثر من 877 درجة مئوية.

بالنسبة لمعظم تطبيقات درجات الحرارة القصوى، تحتاج الدوائر المتكاملة إلى العمل بشكل موثوق على مدى فترات طويلة. يتم تصنيع مثل هذه الدوائر باستخدام تكنولوجيا تكميلية، مع قنوات n وp. في جامعة كيوتو، قام المهندسون بتطوير بوابة منطقية تكميلية JFET من SiC تعمل عند درجة حرارة 350 درجة مئوية. نأمل أن نأخذ عملنا في اتجاه مماثل، وننتج JFETs التكميلية مع قنوات AlN المتجانسة القادرة على العمل في البيئات القاسية.

بقلم هيرونوري أوكومورا من جامعة تسوكوبا

من https://compoundsemiconductor.net/article/118570/Extreme-temperature_devices_using_AlN