Современная электроника №9/2019

ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ 34 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 9 2019 В настоящее время специалисты веду- щих мировых компаний и универси- тетских лабораторий работают над использованием для силовых при- боров 3C-SiC эпитаксиальных струк- тур, выращенных на кремниевых подложках [5]. Кубический политип 3С-SiC является единственным, кото- рый может быть выращен на кремни- евой подложке с толщиной, необхо- димой для мощных силовых прибо- ров. Помимо значительного снижения цены эпитаксиальной структуры техно- логия 3C-SiC/Si также предлагает воз- можность увеличения размера пласти- ны гораздо быстрее, чем это возможно для широко используемых в коммер- ческом применении гексагональных политипов 4H-SiC и 6H-SiC. Сегодня 4H-SiC является основным материа- лом для SiC силовых приборов, но его основным недостатком является низ- кая подвижность носителей зарядов в канале FET-транзисторов, работаю- щих в ключевом режиме, что не позво- ляет в полной мере использовать пре- имущества SiC-материала для рабочих напряжений 200…800 В. В связи с этим ожидается, что силовые приборы (FET- транзисторы и диоды Шоттки), изго- товленные с применением 3C-SiC/Si технологии, будут использоваться в применениях с рабочим напряжени- ем 200…800 В (см. рис. 5), а именно: в приводах моторов электротранспор- та, включая EV/HEV, системах конди- ционирования воздуха, холодильни- ках и светодиодных системах освеще- ния [5]. Кроме того, при использовании подложки p+Si может быть разработан IGBT-транзистор с характеристиками лучшими, чем у FET-транзистора. Однако массовому использованию 3C-SiC/Si технологии препятствует большая дефектность кристалличе- ской структуры. Для улучшения каче- ства эпитаксиальных структур специ- алистами ведущих мировых компа- ний и университетских лабораторий, включая компании по разработке тех- нологического оборудования, решают- ся задачи по созданию как специаль- Рис. 5. Зависимость сопротивления FET-транзистора в открытом состоянии R on от пробивного напряжения для Si, 3C-SiC и 4H-SiC технологий Рис. 7. Сравнение мощности рассеяния диодов Шоттки для Si, SiC и GaN технологий Рис. 6. Сравнение времени обратного восстановления диодов Шоттки для Si, SiC и GaN технологий ных подложек кремния, позволяющих уменьшить плотность кристаллографи- ческих дефектов и стресс в 3C-SiC эпи- таксиальной плёнке, так и новых CVD и PVT процессов для выращивания тол- стых слоёв 3C-SiC. G A N- ДИОДЫ Ш ОТТКИ И FET- ТРАНЗИСТОРЫ ДЛЯ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ GaN-диоды Шоттки для силовой электроники характеризуются луч- шими, чем у SiC-диодов, динамически- ми характеристики: более чем на 30% меньше заряд обратного восстановле- ния, более чем в 2 раза меньше потери мощности (см. рис. 6 и 7) [6]. Также у них более высокая удельная плотность мощности, чем у SiC-диодов. Но несмо- тря на эти явные преимущества изго- товление GaN-диодов Шоттки огра- ничивается только исследованиями в лабораториях и исследовательских центрах при университетах. Из основных преимуществ GaN- транзисторов в сравнении с SiC- транзисторами следует отметить более высокую удельную плотность мощно- сти, более высокую частоту переключе- ния, низкое сопротивление в открытом состоянии (см. рис. 8) [7]. По сравнению с мощными транзисторами на других материалах GaN FET-транзисторы обла- дают рекордной удельной плотностью мощности и высокой эффективностью. Пионерами и лидерами в производ- стве GaN FET-транзисторов являются компании EPC и Infineon (IR). Основные электрические параметрыGaN FET этих компаний представлены в таблице 3. Этими компаниями используется GaN-on-Si техпроцесс, позволяющий существенно снизить себестоимость R on , мОм•см 2 1000 0,1 1 Напряжение пробоя, кВ Si-быстрый диод μ channel =35 см 2 /В ⋅ с μ channel =70 см 2 /В ⋅ с μ channel =150 см 2 /В ⋅ с μ channel =600 см 2 /В ⋅ с Si предел 3С-SiС предел 4Н-SiC предел 10 10 5 0 0 –5 –10 –20 20 Время, нс Si-диод SiC-диод Шоттки GaN-диод Шоттки SiC-диод Шоттки GaN-диод Шоттки 40 60 80 –20 –15 –25 Ток, А 100 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 10 20 Доля мощности рассеяния, % 30 Выходная мощность, Вт 40 50 60 70 10 0,1 1