Регистрация / Вход
Прислать материал

14.574.21.0074

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.574.21.0074
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов"
Название доклада
Разработка технологии получения полислойных структур на основе синтетического монокристалла алмаза c наноразмерными функциональными областями различной проводимости для создания быстродействующих силовых высоковольтных диодов Шоттки с повышенной стойкостью к внешним воздействующим факторам
Докладчик
Тарелкин Сергей Александрович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель проекта - создание полислойных структур из синтетического монокристалла алмаза с наноразмерными функциональными областями, отличающимися типом проводимости, для изготовления алмазных диодов Шоттки нового поколения на обратное напряжение до 1500 В и средний прямой ток до 5 А, обеспечивающие снижение прямого падения напряжения и работоспособность в расширенном диапазоне температур вплоть до 250 °С.
Актуальность и новизна исследования
Благодаря наличию высококачественного исходного алмазного материала в ФГБНУ ТИСНУМ уже были разработаны диоды Шоттки первого поколения на основе синтетического алмаза.
Основным недостатком разработанного изделия по сравнению с конкурентами являлось высокое значение прямого падения напряжения, составляющее 8 В при прямом токе 5 А. Аналогичный уровень прямого тока в диодах на основе карбиде кремния достигается уже при напряжении порядка 2 В. Сложность технологии обработки алмазного сырья и необходимость работы с пластинами малого размера (в силу отсутствия алмазных подложек диаметром больше 10 мм) приводила к низкому проценту выхода годных изделий и обуславливала их высокую цену.
Более широкий диапазон рабочих температур алмазных диодов вплоть до 250 °С вместо 175 °С для диодов на SiC, а также существенно более высокая стойкость к воздействию спецфакторов позволяет утверждать о перспективности использования разработанного изделия для применения в высоконадежных импульсных устройствах, предназначенных для работы в экстремально жестких условиях эксплуатации.
Уменьшение прямого падения напряжения до уровня 4 В и ниже позволило бы существенно расширить область возможных применений алмазных диодов Шоттки, в том числе и в изделиях гражданского применения. Таким образом, целью работы является создание полислойных структур из синтетического монокристалла алмаза с наноразмерными функциональными областями, отличающимися типом проводимости, для изготовления алмазных диодов Шоттки нового поколения на обратное напряжение до 1500 В и средний прямой ток до 5 А, обеспечивающие снижение прямого падения напряжения в 1,5–2 раза и работоспособность в расширенном диапазоне температур вплоть до 250 °С.
Описание исследования

В ходе выполнения научных исследований планируется получение следующих результатов:

1) Физико-математическая модель и ее программная реализациядля описания функционирования диода Шоттки с учетом особенностей зонной структуры и электрофизических свойств синтетического алмаза. Программный модуль будет позволять рассчитывать основные электрофизические характеристики алмазных диодов Шоттки с учетом заданной топологии и физических параметров материалов. Планируется достижение высокой степени соответствия расчетных результатов с результатами экспериментальных исследований электрофизических свойств образцов алмазных диодов Шоттки с точностью не хуже ±10%.

2) Лабораторные технологические регламенты и методики обработки алмаза, в том числе:

- методика контроля качества поверхности алмазных пластин. В качестве измеряемых параметров поверхности в методике планируется контролировать значение шероховатости, плотности дислокаций и толщины нарушенного слоя.

- методика формирования высококачественного омического контакта к алмазу с проводимостью p-типа. Планируется разработка способа получения омического контакта к алмазу, легированному бором в широком диапазоне концентраций с величиной контактного сопротивления менее 0,01 Ом*см2.

- методика нанесения тонких диэлектрических покрытий с высокой диэлектрической проницаемостью на поверхность синтетического алмаза. Планируется получение плотных диэлектрических пленок с высокой диэлектрической проницаемостью (более 5) на основе оксидов переходных металлов. Критическое значение электрического поля пробоя получаемых покрытий будет более 1 МВ/см.

- методика имплантации примеси фосфора и последующего отжига радиационных дефектов для формирования областей n-типа проводимости в алмазе. Удельное электросопротивление получаемых областей при комнатной температуре (25 °С) будет менее 10 Ом*см.

- методика корпусирования алмазных диодов Шоттки для надежного присоединения кристалла к металлокерамическому корпусу, разварку его электрических выводов и последующую герметизацию.

3) Эскизная техническая (конструкторская и технологическая) документация на изготовление алмазных диодов Шоттки. Экспериментальные образцы диодов, изготовленных в соответствии с разработанной документацией, будут демонстрировать:

- работоспособность образцов в диапазоне температур кристалла от минус 60 °С до 250 °С

- достижение при температуре 25 °С обратного напряжения не менее 1500 В с током утечки не более 100 мкА, среднего прямого тока не менее 5 А с прямым падением напряжения не более 4 В.

Результаты исследования

На данном этапе работ получены следующие основные результаты:

1)Проведен анализ вариантов и обоснование выбранных конструктивных и технологических решений, применяемых при разработке базовой конструкции и технологии создания алмазных диодов Шоттки и обеспечивающих показатели надежности разрабатываемого изделия. Разработана конструкция кристалла алмазного диода Шоттки, с использованием результатов моделирования, полученных на втором этапе работ, определены  параметры оптимизированной структуры. Разработан технологический маршрут изготовления кристалла диода Шоттки и его посадки в корпус с учетом технологических операций, разработанных на третьем этапе работ.

2)Разработан комплект технологической документации НУМК.432245.007 для изготовления экспериментальных образцов диодов Шоттки, где отражены все разработанные конструктивные и технологические решения. 

3)Составлен перечень основных параметров алмазных диодов Шоттки и сформулированы требования к ним. Для контроля алмазных диодов Шоттки измеряются значения основных электрических параметров при нормальных условиях. Дополнительно определяются время обратного и прямого восстановления, заряд обратного восстановления, максимальный импульсный прямой ток, общая емкость диода при нулевом смещении.

4)Разработана программа и методики проведения исследовательских испытаний экспериментальных образцов алмазных диодов Шоттки НУМК.432245.006 ПМ. Измерения электрофизических параметров диодов Шоттки проводятся в соответствии с требованиями ГОСТ 18986.0–74. 

5)В соответствии с разработанной программой и методиками НУМК.432245.006 ПМ проведены испытания изготовленных экспериментальных образов алмазных ДШ. Представленные к исследованиям диоды удовлетворяют требованиям ТЗ и прошли все испытания в соответствии с разработанной программой и методиками. 

6)Некоторые диоды Шоттки демонстрировали отклонение от заявленных характеристик в части выполнения требований по прямому падению напряжения и току утечки в закрытом состоянии. данные образцы были отобраны для дальнейшего анализа причин возможных отказов и несоответствия характеристик требуемым параметрам.

7)В результате анализа причин возможных отказов и несоответствия характеристик экспериментальных образцов алмазных диодов Шоттки требуемым параметрам установлено, что повышенные токи утечки диодов Шоттки в режиме обеднения связаны ростовыми дефектами структуры эпитаксиальных алмазных дрейфовых слоев, а именно с дефектами упаковки и наследованными дефектами от полировки подложек. При этом понижение прямого тока может быть связано с ростовыми дислокациями, которые приводят к электрической компенсации акцепторной примеси бора, а также с неоднородностью распределения барьера Шоттки по поверхности диода.

8)Разработанный комплект технологической документации был использован индустриальным партнером проекта ООО «Позитив» для изготовления из монокристаллических подложек на основе синтетических монокристаллов алмаза экспериментальных образцов алмазных диодов Шоттки в количестве 15 штук.

9)В результате анализа лабораторных методик, программ и методик испытаний, разработанных на данном и предыдущем этапах работ совместно с индустриальным партнером проекта ООО «Позитив» разработаны технические требования к испытательному оборудованию и предложений по составу средств измерений и контроля, необходимых для организации производства.

Практическая значимость исследования
1. Область применения разрабатываемых алмазных диодов Шоттки включает в себя вторичные источники электропитания, электроприводы, преобразовательные системы электроснабжения и коммутации, в том числе функционирующих при экстремальных внешних воздействиях (высокие температуры, повышенные интегральные потоки и мощности дозы ионизирующих излучений).
2. Разрабатываемые диоды могут упростить разработку мощных корректоров коэффициента мощности, устраняя необходимость использования дополнительных демпферных диодов и большого числа вспомогательных компонентов. Это позволит уменьшить потери, ведущие к необходимости охлаждения, достигнуть существенно меньших электромагнитных помех и увеличить эффективность электронной аппаратуры.
Выключение алмазного диода Шоттки не сопровождаются процессами рекомбинации неосновных носителей, и, следовательно, для них характерно отсутствие токов прямого и обратного восстановления. При применении в выпрямительных узлах в силовой электронике эти свойства критически важны для построения высокоэффективных источников вторичного электропитания работающих на частотах выше 1 МГц.
Разрабатываемые алмазные диоды Шоттки смогут успешно заменять кремниевые сверхбыстрые диоды, применяемые сейчас в качестве антипараллельных диодов в схемах мощных преобразователей-инверторов, работающих на индуктивную нагрузку (электроприводы, установки индукционного нагрева, источники бесперебойного питания и др. мощностью свыше 500 Вт).
3. Прогнозируемый социально-экономический эффект от использования результатов проекта состоит в:
а) получении системных знаний об относительно новом материале полупроводниковой электроники, дающих возможность проектировать и создавать новые устройства на его основе;
б) улучшении потребительских свойств и расширения областей возможного применения существующей продукции: силовых высоковольтных быстродействующих диодов Шоттки;
в) совершенствовании и разработке новых технологических процессов изготовления структур активной и пассивной электроники на основе синтетического алмаза в направлениях снижения издержек производства и повышения качества
Ожидаемые результаты исследований могут быть использованы для целого ряда критических технологий Российской Федерации
Постер

Poster_Diod.ppt