Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0204

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0204
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники"
Название доклада
Разработка технологии изготовления силовых коммутационных транзисторов на основе нитрида галлия для создания энергоэффективных источников вторичного электропитания
Докладчик
Ерофеев Евгений Викторович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью проекта является разработка оригинальной технологии изготовления силовых коммутационных GaN транзисторов при использовании эпитаксиальных гетероструктур нитрида галлия на подложках кремния для создания энергоэффективных источников вторичного питания.

Физико-технологические задачи проекта следующие:
• Получение новых знаний в области гетероструктурной GaN силовой электроники;
• Исследование и разработка физико-технологических основ формирования трёхмерных наноразмерных элементов с большой периферией на поверхности полупроводниковых структур диаметром до 100 мм методами оптической, лазерной и/или электронно-лучевой литографии;
• Разработка оригинальной технологии изготовления силовых гетероструктурных GaN транзисторов при использовании эпитаксиальных гетероструктур GaN-Si;
• Создание макетов и опытной партии силовых гетероструктурных GaN транзисторов, а также исследование их статических и динамических электрических характеристик на постоянном и/или импульсном токе;
• Предварительные испытания экспериментальных образцов электронной компонентной базы;
• Разработка и создание быстродействующего дискретного драйвера управления силовыми GaN транзисторами;
• Разработка и создание макета вторичного источника питания на основе силовых гетероструктурных GaN транзисторов;
• Подготовка в рамках проекта научных и научно-педагогических кадров высшей квалификации в области гетероструктурной силовой электроники Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР).
Актуальность и новизна исследования
Силовая электроника – это показатель уровня экономики любого современного государства. Ее решающая роль в экономике развитых стран вытекает из того, что более 80% вырабатываемой электроэнергии потребляется в преобразованном виде. Снижение потерь при преобразовании электроэнергии является приоритетным направлением работ во всех развитых индустриальных странах. В настоящее время в США, Японии и Европе эффективность преобразования вырабатываемой электроэнергии достигает более 60-80%, в то время как в РФ эта цифра составляет 30-40%. Простые оценки показывают, что повышение этой цифры до мирового уровня позволит сэкономить около 20% энергии, что сопоставимо с вкладом атомной или гидроэнергетики.
Компактность, эффективность, материалоемкость энергообеспечивающего преобразователя зависит от используемой элементной базы. В настоящее время перспективным путем развития силовой электроники в мире является переход к элементной базе на основе широкозонных полупроводников, таких как нитрид галлия (GaN). Возможность работы GaN транзисторов на более высоких частотах позволяет значительно повысить энергоэффективность преобразователя и упростить его миниатюризацию. При этом за счет отказа от ряда пассивных элементов (фильтров) схемы можно добиться снижения массогабаритных показателей конечного устройства и уменьшить себестоимость его производства. Кроме того, GaN приборы характеризуются высокой радиационной стойкостью и способностью работать при высоких рабочих температурах, что является ключевым аспектом при создании электронной компонентной базы военной и аэрокосмической техники будущего.
Описание исследования

Для решения поставленных задач 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 проводиться работы по разработке оригинальной технологии производства силовых гетероструктурных GaN транзисторов, а также по выявлению конструктивно-технологических факторов, влияющих на их предельные электрические и надежностные характеристики.
В рамках второго направления будут проводиться работы по разработке и созданию дискретного драйвера управления мощными GaN транзисторами, а также макета вторичного источника питания на их основе.
И, наконец, в рамках третьего направления будут проводиться работы по интеграции разработанной технологии в промышленное производство на базе индустриального партнера проекта.

 

Результаты исследования

В результате выполнения проекта будут разработаны и созданы следующие объекты:

•    Экспериментальные образцы силовых гетероструктурных GaN транзисторов, работающих в режиме обогащения со значением порогового напряжения не менее Uпор = +1 В;

•    Макет дискретного быстродействующего драйвера управления силовыми GaN транзисторами с уровнем управляющего сигнала на выходе не более Uвых = +6 В;

•    Макет вторичного источника питания (DC-DC) на основе силовых гетероструктурных GaN транзисторов с эффективностью преобразования электроэнергии не ниже 90%.

 

Практическая значимость исследования
Разрабатываемые силовые приборы на основе нитрида галлия в гражданском секторе экономики в первую очередь найдут применение в преобразовательной технике, в источниках питания устройств бытовой и промышленной электроники. Одним из применений продукта в военном секторе экономики станет новое поколение бортовых систем электропитания и управления самолётов, вертолётов, спутников и беспилотных аппаратов, для которых особо важны вес и размеры устройств, а также их энергопотребление. 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).
Использование данных приборов в составе преобразователей энергии нового поколения позволит на 3-5% увеличить энергоэффективность и на 50% уменьшить размер преобразователя, а также на 30-50% уменьшить себестоимость его изготовления за счет отказа от ряда дорогостоящих пассивных элементов (фильтров) схемы.
Кроме того, использование разработанного в проекте продукта в разных отраслях народного хозяйства будет способствовать долговременному обеспечению энергоэффективности современных силовых систем, а также импортозамещению используемых в настоящее время импортных кремниевых устройств современными силовыми приборами на основе широкозонных полупроводников и тем самым сформировать их отечественный рынок.
Постер

Poster_Erofeev EV.ppt