Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологии изготовления силовых коммутационных транзисторов на основе нитрида галлия для создания энергоэффективных источников вторичного электропитания

Номер контракта: 14.577.21.0204

Руководитель: Ерофеев Евгений Викторович

Должность: Младший научный сотрудник

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
силовая электроника, нитрид галлия, гетероструктуры, транзистор, медная металлизация

Цель проекта:
Целью настоящего проекта является разработка технологии изготовления силовых коммутационных транзисторов на основе эпитаксиальных гетероструктур структур нитрида галлия для создания энергоэффективных источников вторичного электропитания. Физико-технологические задачи проекта следующие: 1. Получение новых знаний в области гетероструктурной нитрид-галлиевой (GaN) силовой электроники. 2. Исследование и разработка физико-технологических основ формирования трёхмерных наноразмерных элементов с большой периферией на поверхности полупроводниковых структур диаметром до 100 мм методами оптической, лазерной или электронно-лучевой литографии; 3. Исследование и разработка технологии формирования низкотемпературных омических контактов к гетеропереходам AlGaN/GaN. 4. Разработка и создание нормально-закрытых силовых гетероструктурных GaN транзисторов, а также исследование их статических и динамических электрических характеристик на постоянном и/или импульсном токе. 5. Разработка и создание быстродействующего дискретного драйвера управления силовыми GaN транзисторами. 6. Разработка и создание макета высокочастотного вторичного источника питания на основе силовых гетероструктурных GaN транзисторов. 7. Испытания экспериментальных образцов электронной компонентной базы; 8. Подготовка в рамках проекта научных и научно-педагогических кадров высшей квалификации в области гетероструктурной силовой электроники Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР).

Основные планируемые результаты проекта:
В результате выполнения проекта будет разработаны и созданы следующие объекты:
1. экспериментальные образцы силовых гетероструктурных GaN транзисторов, работающие в режиме обогащения со значением порогового напряжения не менее Uпор = +1 В;
2. макет дискретного быстродействующего драйвера управления силовыми GaN транзисторами с уровнем управляющего сигнала на выходе драйвера не более Uвых = +6 В;
3. макет вторичного источника питания (DC – DC) на основе силовых гетероструктурных GaN транзисторов с эффективностью преобразования электроэнергии не ниже 90%.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
В настоящее время в мире существует две концепции промышленного изготовления силовых гетероструктурных GaN транзисторов. Первая подразумевает использование кремниевой технологической пилотной линии CMOS фабрики для выпуска транзисторов, а вторая - СВЧ фабрики по промышленному выпуску GaAs и GaN транзисторов и монолитных интегральных схем на их основе. При этом в первом варианте к качестве базового материала металлизации проводников транзисторов используется алюминий (Al), а во втором – золото (Au). Однако перспективным материалом металлизации силовых GaN транзисторов может быть медь (Cu). Очевидно, что Cu имеет целый ряд существенных преимуществ перед Al и Au. Так, например, Cu имеет меньшее удельное сопротивление, что говорит о высокой перспективности замены Al и Au проводников на Cu. Кроме этого, Cu, по сравнению с Al и Au, характеризуется большей теплопроводностью, а также более высокой стойкостью к электромиграции и чрезвычайно низкой стоимостью, что позволяет производить GaN транзисторы с улучшенными характеристиками и с низкой себестоимостью.
В рамках выполнения ПНИЭР впервые будут разработаны технические решения, которые должны обеспечить создание силовых коммутационных транзисторов на основе нитрида галлия с медной металлизацией проводников.

Для достижения конечной цели проекта предлагается использовать комплексный подход, заключающийся в том, что работа будет проводиться одновременно по нескольким направлениям, при взаимном учёте результатов, полученных в одном из направлений, для достижения наилучших результатов в другом направлении. В рамках первого направления будут выявлены факторы, влияющие на предельные электрические характеристики разрабатываемых GaN транзисторов. В рамках второго направления будут разрабатываться методы повышения надежности работы транзисторов. В рамках третьего направления будут исследоваться возможности уменьшения себестоимости изготовления транзисторов за счет перехода к металлизации проводников на основе меди. И, наконец, в рамках четвертого направления, все разработанные оригинальные технологии будут интегрированы в единый технологический маршрут изготовления силовых гетероструктурных GaN транзисторов.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Современный уровень преобразовательной техники оказывает существенное влияние на энергетику. Благодаря такой технике в развитых странах эффективность использования электроэнергии близка к 60-80%, в то время как в РФ по оптимистическим оценкам не превышает и 40%. Эффективность во многом обеспечивается применением полупроводниковых преобразователей основу которых составляют Si транзисторы. В настоящее время в России около 90% потребляемых силовых Si приборов – это импорт, годовой объем которого оценивается на уровне 8-10 млрд. руб. и его рост неизбежен. Таким образом, использование разрабатываемого в проекте продукта в различных отраслях народного хозяйства позволит с одной стороны повысить эффективность использования (преобразования) электроэнергии, а с другой стороны обеспечить импортозамещение Si устройств современными силовыми приборами на основе щирокозонных полупроводников и тем самым сформировать их отечественный рынок.
Прямым потребителем разрабатываемого в проекте продукта будет индустриальный партнер АО «НПФ «Микран» (г. Томск). Силовые гетероструктурные GaN транзисторы будут использованы при создания нового поколения бортовых систем электропитания для приемо-передающих модулей активных фазированных решеток (АФАР), а также серийно выпускаемого телекоммуникационного оборудования. Кроме того, разрабатываемая элементная база может быть использована в ОАО «НПЦ «Полюс» (г. Томск) для создания нового поколения бортовых систем электропитания и управления космических аппаратов.
Потенциальными потребителями ожидаемых результатов проекта являются компании, занимающиеся разработками в области промышленной электроники и энергосберегающей техники, а также предприятия радиоэлектронной промышленности, военно-промышленного комплекса России и другие государственные и частные заказчики (Роскосмос, Росатом).

Текущие результаты проекта:
1. Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы в области технологии изготовления силовых коммутационных транзисторов на основе нитрида галлия;
2. Выполнен аналитический обзор аналогов вторичных источников питания;
3. Выполнен отчет о патентных исследованиях по ГОСТ Р 15.011-96;
4. Разработана технология формирования низкотемпературных омических контактов на основе композиций Ta/Al и Hf/Al к гетеропереходам AlGaN/GaN. Установлено, что использование торцевых диффузионных барьеров на основе пленок тугоплавких металлов и их соединений в составе низкотемпературного омического контакта приводит к улучшению электрических параметров омического контакта, а также повышению их термической стабильности.
5. Разработана технология формирования затворов GaN транзисторов с длиной основания 0.8 мкм и шириной периферии до 200 мм методами лазерной литографии. Показано, что метод осаждения затворной металлизации, а также ее толщина влияет на процент выхода годных затворов, сформированных на полупроводниковых пластинах диаметров до 100 мм.