Современная электроника №9/2019

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ 32 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 9 2019 Современные достижения в производстве SiC- и GaN-приборов силовой электроники Рис. 1. Сравнение времени обратного восстановления SiC- и Si-диодов В статье представлен краткий обзор последних достижений в области производства приборов силовой электроники на основе карбида кремния и нитрида галлия, рассказывается о преимуществах новых диодов и транзисторов, а также о проблемах, которые приходится решать разработчикам передовых полупроводниковых технологий. Владимир Токарев (vvtokarev55@gmail.com ) , Владимир Котов (vladimir.k@micronica-msq.com ) Карбид кремния (SiC) и нитрид гал- лия (GaN) являются идеальными мате- риалами для силовых приборов. На настоящий момент, благодаря своим электрофизическим параметрам, эти материалы всё более широко использу- ются для изготовления силовых прибо- ров, в том числе и сверхвысокочастот- ного (СВЧ) диапазона. Также считается, что SiC и GaN станут основой ключевых компонентов силовой электроники, радио- и оптоэлектроники следующего поколения. Основные области приме- нения приборов на основе этих матери- алов: ВЧ-электроника (преимуществен- но GaN-приборы), импульсная силовая электроника, включая драйверы элек- тродвигателей, системы распределения питания и резонансные преобразова- тели питания с высокой надёжностью, в том числе для аппаратов бортовых систем. Согласно исследованиям Yole Developpement, ожидается, что только для EV/HEV-применений объём рын- ка SiC-приборов достигнет $400 млн к 2022 году, а рынка GaN-приборов – $420 млн к 2023 году. В целом Yole про- гнозирует рынок в размере $1,5 млрд как для SiC-, так и для GaN-приборов в 2023 году с 31% совокупным среднего- довым темпом роста для SiC- и 93% – для GaN-. Данные материалы в сравнении с кремнием обладают большей крити- ческой напряжённостью поля про- боя (приблизительно 1,8…3,5 MВ/см в зависимости от используемого мате- риала), большими скоростями насы- щения электронов (2,0…2,5 × 10 7 см/с). Кроме того, SiC обладает высокой тепло- проводностью (3,9…4,9 Вт/(см•К)), что позволяет создавать приборы, способ- ные работать при температурах выше +800 ° C [1]. Достигнутый за последние 15 лет прогресс в развитии техноло- гий выращивания подложек и эпитак- сиальных слоёв SiC и GaN с приемле- мым уровнем дефектности и воспро- изводимости электрофизических параметров позволил изготовить на основе этих материалов практически все типы полупроводниковых прибо- ров, в том числе вертикальные GaN- диоды и транзисторы. Наряду с широ- ко известными компаниями в области производства изделий из широкозон- ных полупроводников, таких как Cree, Infineon, NXP, Episil, ROHM, Nitronex, ST, EPC, GeneSiC, MicroSemi, приборы на основе SiC и GaN начинают разра- батывать и изготавливать совершен- но новые компании, такие как FMI, Cerromax, UnitedSiC, SiC Semiconductor и другие, в том числе СКТБ «Микрони- ка» (г. Минск), выполняющее совмест- ные проекты с компаниямиЮго-Вос- точной Азии. Также немалую роль играет усовершенствование TCAD- программ таких фирм, как Cadence и Synopsys, в части развития моделей расчёта техпроцесса и электрических параметров разрабатываемых SiC- и GaN-приборов. Целью данной статьи является краткий обзор уровня про- изводства, основных преимуществ и параметров силовых приборов на основе карбида кремния и нитри- да галлия, изготавливаемых широко известными компаниями. S I C- ДИОДЫ Ш ОТТКИ И FET- ТРАНЗИСТОРЫ SiC-диоды Шоттки характеризуют- ся исключительными динамически- ми характеристики для работы с напря- жениями выше 200 В. Заряд обратного восстановления Q с этих диодов более чем на порядок меньше, чем у крем- ниевых MPS-диодов с контактомШот- тки (см. рис. 1) и, кроме того, не зави- сит от скорости нарастания тока di/ dt [2]. Сверхмалое значение заряда Q с уменьшает потери на переключение. Максимальная температура перехода до +250°С, указанная в ряде специфика- ций (GeneSiC), ограничивается в основ- ном возможностями корпуса. Основные электрические параметры SiC-диодов Шоттки таких известных компаний, как Cree, GeneSiC, Infineon, Rohm, представлены в таблице 1. По сравнению с кремниевыми дио- дами с контактомШоттки (Si-FRD) SiC SBD-диоды могут работать в устрой- ствах с частотой преобразования до 500 кГц, что позволяет снизить габа- SiC A I f = 8 A t V R = 400 В, Т=+125 ° С, di/dt=–200 A/мкс Si