Kilovolt-class Vertical (011) \b{eta}-Ga2O3 Schottky Diodes for High Voltage and High Temperature Applications

Moderne elektronica vertrouwen op halfgeleiders, materialen die elektriciteit met ongelooflijke snelheid en precisie aan en uit kunnen schakelen. Decennialang was silicium de standaard, maar naarmate onze wereld meer vermogen eist in kleinere ruimtes, bereikt silicium zijn fysieke grenzen. Wetenschappers hebben zich gericht op een nieuwe klasse materialen genaamd wide bandgap-halfgeleiders, die veel hogere voltages en temperaturen kunnen weerstaan. Onder deze materialen is een materiaal bekend als bèta-galliumoxide naar voren gekomen als een bijzonder veelbelovende kandidaat. Het kan elektrische velden weerstaan die veel sterker zijn dan die van silicium, wat het ideaal maakt voor de volgende generatie stroomnetten, elektrische voertuigen en industriële motoren. Om dit materiaal echter in realistische apparaten te laten werken, moeten onderzoekers een specifiek probleem oplossen: wanneer deze apparaten te groot worden of worden blootgesteld aan hoge voltages, veroorzaken minuscule defecten in de kristalstructuur er vaak voor dat ze voortijdig falen, waarbij ze stroom lekken en hun vermogen verliezen om vermogen te blokkeren.

Een team van onderzoekers aan de Iowa State University en de Air Force Research Laboratory heeft een belangrijke stap gezet richting het oplossen van dit probleem door een nieuw type vermogensschakelaar te bouwen die betrouwbaar werkt bij hoge voltages en hoge temperaturen. Ze concentreerden zich op een specifieke oriëntatie van het bèta-galliumoxidekristal, een oriëntatie die van nature de defecten vermijdt die andere versies van het materiaal teisteren. Door het kristal in deze specifieke richting te laten groeien en een gespecialiseerde beschermlaag rond de randen van het apparaat toe te voegen, creëerden ze een diode die bijna vier duizend volt aan elektriciteit kan blokkeren. Dit is een enorme sprong voorwaarts, aangezien het aantoont dat het materiaal kan worden opgeschaald naar de afmetingen die nodig zijn voor commercieel gebruik zonder zijn vermogen te verliezen om hoog voltage tegen te houden.

De onderzoekers begonnen met het kweken van een dikke laag van dit speciale bèta-galliumoxidekristal op een substraat, waardoor een driftlaag ontstond die dertig micrometer dik is. Deze laag fungeert als de belangrijkste barrière die de stroom tegenhoudt wanneer het apparaat wordt uitgeschakeld. In veel eerdere pogingen met een andere kristaloriëntatie zouden ongewenste onzuiverheden en structurele defecten paden creëren waar elektriciteit doorheen lekt, wat ervoor zorgt dat het apparaat bij lagere voltages faalt. Het team koos de (011)-oriëntatie omdat de kristaldefecten in deze versie parallel aan het oppervlak lopen in plaats van dwars door het materiaal te snijden, waardoor de snelwegen waarlangs de lekstroom gewoonlijk reist, effectief worden verwijderd. Om dit te testen, bouwden ze diodes met verschillende afmetingen, variërend van honderd tot driehonderd micrometer in diameter, en vergeleken ze deze met apparaten zonder speciale randbescherming.

Om de prestaties verder te verbeteren, voegde het team een field plate toe, wat in essentie een metalen extensie is die wordt afgedekt door een stapel isolatiematerialen. Deze structuur verspreidt het intense elektrische veld dat zich aan de rand van het apparaat opbouwt, waardoor wordt voorkomen dat het zo geconcentreerd wordt dat het het materiaal doet doorbreken. Ze gebruikten een combinatie van twee isolatoren, titaniumdioxide en aluminiumoxide, gekozen vanwege hun vermogen om hoge elektrische spanning te weerstaan. Toen ze deze apparaten testten, waren de resultaten opmerkelijk. De diodes zonder de field plate konden voltages tot ongeveer drieduizend volt blokkeren, maar de exemplaren met de field plate hielden stand bij voltages tussen drieduizend negenhonderd en vierduizend honderd zestig volt. Cruciaal was dat deze hoge prestaties consistent bleven, ongeacht de grootte van de diode, wat bewees dat het materiaal en het ontwerp kunnen worden opgeschaald voor grotere vermogenssystemen.

Het team wilde ook weten of deze apparaten in hete omgevingen konden overleven, een veelvoorkomende vereiste voor elektronica in elektrische voertuigen of nabij straalmotoren. Ze verwarmden de diodes tot honderd vijftig graden Celsius, een temperatuur die bij veel andere hoogspanningsapparaten zou leiden tot lekkage van stroom en falen. Zelfs bij deze hitte behielden de diodes hun vermogen om elektriciteit te blokkeren met vrijwel geen lekstroom. Ze presteerden duizend miljard keer beter in het blokkeren van stroom in de uit-stand dan in de aan-stand, een ratio die stabiel bleef, zelfs wanneer de temperatuur steeg. De enige beperking die ze tegenkwamen tijdens deze hittestests was dat de lucht rond het apparaat begon af te breken voordat het apparaat zelf dat deed, een teken dat het apparaat zelf sterk genoeg is om zelfs hogere voltages te weerstaan indien getest in een vacuüm of vloeistof.

Via computersimulaties bevestigden de onderzoekers dat het elektrische veld precies werd beheerd zoals zij het bedoelden. De simulaties toonden aan dat de field plate de piek-elektrische spanning aan de randen van het apparaat succesvol verminderde, waardoor het materiaal zijn theoretische limiet kon bereiken. Hoewel de isolerende laag van titaniumdioxide tekenen van spanning vertoonde bij zeer hoge velden, bewees het algemene ontwerp dat de combinatie van de speciale kristaloriëntatie en de field plate een robuust systeem vormt. De studie vond geen bewijs dat de grotere diodes slechter presteerden dan de kleinere diodes, wat een cruciale bevinding is voor de productie. Het suggereert dat ingenieurs veel grotere vermogensschakelaars kunnen bouwen met dit materiaal zonder zich zorgen te maken dat de toegenomen grootte nieuwe foutpunten introduceert.

Dit werk demonstreert dat door zorgvuldig te kiezen voor de oriëntatie van het kristal en door slim engineering te gebruiken om elektrische velden te beheren, het mogelijk is om vermogensschakelaars te maken die zowel ongelooflijk sterk als hittebestendig zijn. De in deze studie gebouwde diodes kunnen voltages in het kilovoltbereik aan, terwijl ze opereren bij temperaturen die veel andere technologieën zouden uitschakelen. De onderzoekers toonden aan dat het materiaal niet lijdt onder de temperatuurafhankelijke lekkage die andere versies van bèta-galliumoxide hebben geteisterd. In plaats daarvan behouden deze apparaten hun integriteit, wat een duidelijk pad biedt naar efficiëntere en krachtigere elektronica voor de toekomst. De bevindingen suggereren dat de weg naar commercialisering van deze hoogvermogensapparaten duidelijker wordt, mits de productieprocessen in staat blijven om kristallen met deze specifieke, defectresistente oriëntatie te produceren.