Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологии получения эпитаксиальных гетероструктур арсенидов галлия и алюминия для нового поколения силовых приборов

Номер контракта: 14.607.21.0071

Руководитель: Шашкин Владимир Иванович

Должность: зав. отделом

Организация: Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук"
Организация докладчика: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики микроструктур Российской академии наук

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
р-i-n структура, силовой диод, жидкофазная эпитаксия, арсенид галлия, многослойные композиции, термостабилизация

Цель проекта:
Проект направлен на решение проблемы повышения эффективности использования электроэнергии. Целью проекта является повышение КПД нового поколения силовых приборов не менее чем на 10% и/или частоты преобразования не менее чем в 2 раза и/или коммутируемого напряжения не менее чем в 1,5 раза и/или рабочей температуры не менее чем в 1,4 раза.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе выполнения ПНИ должны быть получены следующие основные научно-технические результаты:
- Эскизная конструкторская документация на макет ростового устройства прокачного типа из графита.
- Макет ростового устройства прокачного типа из графита.
- Эскизная конструкторская документация на гетероэпитаксиальные структуры на основе арсенидов галлия и алюминия с улучшенными электрофизическими свойствами.
- Экспериментальные образцы гетероэпитаксиальных структур на основе арсенидов галлия и алюминия для силовых p-i-n диодов.
- Эскизная конструкторская документация на макеты силовых p-i-n диодов на основе гетероэпитаксиальных структур арсенидов галлия и алюминия.
- Лабораторный регламент получения силовых p-i-n диодов на основе гетероэпитаксиальных структур арсенидов галлия и алюминия.
- Макеты силовых p-i-n диодов на основе гетероэпитаксиальных структур арсенидов галлия и алюминия.
- Эскизная конструкторская документация на термоэлектрические модули и термоэлектрические узлы охлаждения, предназначенные для охлаждения силовых приборов.
- Лабораторный регламент получения термоэлектрических модулей и термоэлектрических узлов охлаждения.
- Экспериментальные образцы термоэлектрических модулей и термоэлектрических узлов охлаждения.
- Технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера - организации реального сектора экономики.
- Проект технического задания на проведение ОТР по теме: «Разработка технологии и организация производства энергоэффективных силовых p-i-n диодов на основе гетероэпитаксиальных структур арсенидов галлия и алюминия».
В результате выполнения работ должны быть достигнуты технические требования к технологии получения гетероэпитаксиальных структур:
1 Разрабатываемая технология должна обеспечивать получение гетероэпитаксиальных структур методами жидкостной эпитаксии.
2 Разрабатываемая технология должна обеспечивать получение гетероэпитаксиальных структур, состоящих из монокристаллической подложки и не менее 3 эпитаксиальных слоев.
3 Разрабатываемая технология должна обеспечивать получение гетероэпитаксиальных структур на подложках арсенида галлия диаметром не менее 50 мм.
4 Решение проблемы эффективности технологического процесса должно обеспечиваться разработкой новых технологических приемов, технологической оснастки для осуществления эпитаксиального процесса.
Разрабатываемые гетероэпитаксиальные структуры должны встраиваться в существующие технологические маршруты изготовления приборов на их основе.
Разрабатываемые образцы термоэлектрических модулей должны обеспечивать построение системы термоэлектрического охлаждения и термостабилизации корпуса силовых приборов.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Разрабатываемая технология должна обеспечивать получение силовых p-i-n диодов с улучшенными характеристиками, обеспечивающих повышение частоты преобразования не менее чем в 2 раза и рабочей температуры не менее чем в 1,4 раза по сравнению с существующими зарубежными аналогами на кремнии и карбиде кремния.
Разрабатываемые силовые p-i-n диоды на основе гетероэпитаксиальных структур арсенидов галлия и алюминия должны обладать эксплуатационными характеристиками, превышающими уровень мировых аналогов, что должно подтверждаться сопоставлением измеренных характеристик напряжения пробоя и рабочего тока емкости перехода, предельной частоты коммутации и максимальной рабочей температуры силового p-i-n диода с параметрами аналогичных изделий ведущих производителей в данной области.
Разрабатываемые силовые p-i-n диоды на основе гетероэпитаксиальных структур арсенидов галлия и алюминия должны быть предназначены для использования в различных устройствах современной промышленной электроники, включая преобразовательную технику, импульсную технику, источники питания, устройства автоматики, системы беспроводной связи, AC-DC и DC-DC – преобразователи, импульсные источники питания, устройства формирования и передачи импульсных сигналов, измерительные приборы, приборы автоматического управления, ВЧ-техника, СВЧ-устройства передачи и приёма сигналов, беспроводные технологии.
Разрабатываемые образцы термоэлектрических модулей и термоэлектрических узлов охлаждения должны быть предназначены для охлаждения и термостабилизации силовых приборов.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1) Разрабатываемые силовые p-i-n диоды на основе гетероэпитаксиальных структур арсенидов галлия и алюминия могут быть использованы в различных устройствах современной промышленной электроники.
2) Опираясь на технологические возможности индустриального партнера, в ходе проекта будут разработаны технические предложения по производству силовых p-i-n диодов нового поколения.
3) В результате выполнения проекта появится новое поколение приборов силовой электроники, включая преобразовательную технику, импульсную технику, источники питания, устройства автоматики, системы беспроводной связи, AC-DC и DC-DC – преобразователи, импульсные источники питания, устройства формирования и передачи импульсных сигналов, измерительные приборы, приборы автоматического управления, ВЧ-техника, СВЧ-устройства передачи и приёма сигналов, беспроводные технологии.
4) В результате выполнения проекта должен быть устранен пробел, имеющийся на рынке высоко-температурных энергоэффективных полупроводниковых диодов силовой электроники, заклю-чающийся в отсутствии надёжных быстродействующих высоковольтных силовых диодов, необ-ходимых для построения нового поколения энергоэффективных высокочастотных преобразова-телей электрической энергии малой и средней мощности (100 кВт), с большим ресурсом работы. Реализация проекта позволит решить проблему импортозамещения в сфере одного из самых кри-тичных направлений отечественной промышленности и экономики – энергосбережении; обеспе-чить отечественного производителя силовой электроники новым материалом, обладающим кон-курентными преимуществами по сравнению с импортными аналогами; создать новую экспорто-ориентированную продукцию, обладающую потенциальным экспортным спросом и не имеющую аналогов.

Текущие результаты проекта:
- Разработана эскизная конструкторская документация и изготовлен макет ростового устройства прокачного типа из графита, проведены успешные испытания и пробные эпитаксиальные процессы.
- Разработана теоретическая термодинамическая модель взаимодействия легирующих окислов между собой и с компонентами раствора-расплава в процессах жидкофазной эпитаксии. Результаты экспериментальной проверки показали, что расчет позволяет с достаточно высокой точностью прогнозировать распределение электрически активных примесей по глубине структуры в зависимости от условий процесса. Это дало возможность во многих случаях заменить моделированием проведение дорогостоящих тестовых экспериментальных процессов.
- Подобран новый состав для ультразвуковой обработки подложек арсенида галлия. По сравнению с традиционным составом время ультразвуковой очистки сократилось с десяти до шести минут при лучшем качестве, что не только увеличивает производительность процесса, но и уменьшает вероятность механического разрушения подложек. Оптимизирована пропорция разведения исходного состава деионизованной водой в соотношении 1:1. Такой состав позволяет эффективно и быстро удалять загрязнения, оставшиеся после шлифовки и химико-механической полировки, и в тоже время достаточно экономичен для использования.
- Разработана эскизно-конструкторская документация и по ней изготовлена технологическая оснастка для получения термоэлектрических материалов методом горячего вакуумного прессования. Определены оптимальные параметры процесса горячего вакуумного прессования порошков термоэлектрических материалов: давление прессования (50 МПа), температура прессования (420ºС), время прессования (5 мин.).
- Определены оптимальные технологические условия формирования паяного соединения на этапе монтажа диодных чипов в корпус: марка припоя (ПСр 2.5); толщина припойного шва (30-40 мкм); температура пайки (350±5 °С с плавным нагревом – охлаждением); газовая среда пайки (азот).
1) Определена оптимальная температура термического отжига контактов к сильнолегированному GaAs, при которой достигается низкое контактное сопротивление без деградации контакта, Т = 450±25°С.
2) Ростовое графитовое устройство позволяет выращивать многослойные, толстые, до 100 мкм, эпитаксиальные структуры методом жидкофазной эпитаксии со сменой типа слоя и легирующей примеси в процессе роста.
3) Новизна решения состоит в том, что структура, состоящая из трех последовательных эпитаксиальных слоев, выращивается в рамках одного эпитаксиального процесса, при этом достигается низкий уровень загрязняющих примесей, в том числе, углерода.
4) В рамках проекта созданное устройство и найденные оптимальные технологические параметры необходимы для получения эпитаксиальных гетероструктур арсенидов галлия и алюминия для нового поколения силовых p-i-n диодов, и были предусмотрены планом-графиком и техническим заданием проекта.
5) В сравнении с результатами аналогичных работ, определяющих мировой уровень, разрабатываемая технология значительно упростит и удешевит процесс получения гетероструктуры и позволит заметно повысить рабочие характеристики.