Power Device – tức là các thiết bị điện tử như Schottky barrier Diode, MOS-FET…được kỳ vọng là sẽ tạo nên bước tiến vượt bậc trong việc tiết kiệm năng lượng dùng trong các thiết bị chuyển hóa điện năng… Những nghiên cứu tiên tiến nhất hiện đang được tiến hành đều xoay quanh việc sử dụng các vật liệu mới trong các thiết bị này. Tiêu biểu trong đó là SiC, GaN nhằm thay thế cho Silic truyền thống. Trong đó, SiC được chú ý nhiều nhất, do chúng ta đã có thể tạo được các tinh thể SiC cỡ lớn tới 6 inch. Tuy nhiên, khó khăn còn trước mắt vẫn rất nhiều để đưa được SiC vào thay thế cho Silic truyền thống. Một trong những khó khăn đó là việc tạo nên màng cách điện trong MOSFET.
SiC có bandgap lên tới xấp xỉ 3 eV, gấp 3 lần Silic. Cũng chính nhờ đặc tính vật lý này mà khả năng chịu áp của thiết bị sử dụng SiC gấp tới 10 lần so với Silic. Nhờ khả năng truyền nhiệt tốt mà các thiết bị sử dụng SiC có thể sử dụng ở nhiệt độ rất cao mà vẫn giữ vững sự ổn định, lên tới 200~300 độ C. Chính vì vậy mà SiC được mong đợi sẽ là vật liệu thay thế sáng giá cho các nguồn cung cấp điện cho các sever, các máy điều hòa, bộ chuyển hóa điện năng dùng cho pin mặt trời, thiết bị cung cấp điện cho các xe hơi chạy điện…
SiC có một lợi thế đó là nhờ việc oxit hóa bằng nhiệt ta có thể tạo ra màng cách điện SiO2 trong cấu tạo lên MOSFET. Tuy nhiên, màng cách điện được tạo ra bởi phương pháp này có chất lượng thấp, làm giảm đi tốc độ switch và khả năng chịu áp của MOSFET. Nhất là khi điện áp đặt lên màng cách điện thường lên tới 7~8 MV/cm. Đại học Osaka, Kyoyo và hãng ROM, Tokyo Electron đã tiến hành hợp tác nghiên cứu, sử dụng màng cách điện AlON để thay thế cho màng SiO2 truyền thống, tăng độ tin cậy của màng cách điện sử dụng trong Power MOSFET dùng SiC lên cao hơn.
Việc sử dụng AlON được lý giải như sau: SiO2 có hằng số điện môi là 3.5~3.9 trong khi đó hằng số điện môi của AlON là từ 6~8. Do vậy, điện áp đặt lên màng cách điện AlON sẽ giảm được 1/2 so với màng cách điện SiO2 truyền thống. Do đó, độ tin cậy của màng cách nhiệt được tăng lên.
Tuy nhiên, nếu dùng phương pháp này, tuy độ tin cậy được tăng lên nhưng độ dày của tầng AlOn tăng lên gấp đôi. Một vấn đề nữa là để áp dụng kỹ thuật này với MOSFET dạng lập thể (như hình trên) thì phải áp dụng được phương pháp CVD (Chemical Vapor Deposition), tức là dùng nguyên liệu khí tạo màng cách điện bằng cách tạo phản ứng hóa học trên bề mặt vật liệu. Ngoài ra, kỹ thuật để làm cho chất liệu AlON không còn khuyết tật (ví dụ như defect trap) cũng là một vấn đề khá nan giải.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật thêm Nitro vào màng AlON để tăng chất lượng màng và đã xác nhận, ở tỷ lệ cấu tạo màng, khi Nitro đạt tới 40%, sự phân bố của Nitro đạt mức đồng đều trong màng và làm giảm đi những khuyết tật trong cấu tạo màng.
Khi sử dụng màng AlON và chế tạo MOSFET, nhóm nghiên cứu xác nhận rằng, sức chịu áp của thiết bị đã tăng lên 1,5 lần và dòng rò (leak current) đã giảm tới 90%.
Người viết bài: Nguyễn Xuân Truyền
Nguồn: monoist.atmarkit.co.jp