Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0071

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0071
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук"
Название доклада
Разработка технологии получения эпитаксиальных гетероструктур арсенидов галлия и алюминия для нового поколения силовых приборов
Докладчик
Шашкин Владимир Иванович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
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.
Разрабатываемые силовые p-i-n диоды на основе гетероэпитаксиальных структур арсенидов галлия и алюминия должны обладать эксплуатационными характеристиками, превышающими уровень мировых аналогов на кремнии и карбиде кремния, 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, ACDC 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.
Актуальность и новизна исследования
В результате выполнения проекта должен быть устранен пробел, имеющийся на рынке высокотемпературных энергоэффективных полупроводниковых диодов силовой электроники, заключающийся в отсутствии надёжных быстродействующих высоковольтных силовых диодов, необходимых для построения нового поколения энергоэффективных высокочастотных преобразователей электрической энергии малой и средней мощности (до 10 кВт), с большим ресурсом работы. Реализация проекта позволит решить проблему импортозамещения в сфере одного из самых критичных направлений отечественной промышленности и экономики – энергосбережении; обеспечить отечественного производителя силовой электроники новым материалом, обладающим конкурентными преимуществами по сравнению с импортными аналогами; создать новую экспорто-ориентированную продукцию, обладающую потенциальным экспортным спросом и не имеющую аналогов.
Описание исследования

Разрабатываемые в настоящем проекте силовые p-i-n диоды с улучшенными параметрами изготавливаются на основе гетероэпитаксиальных структур арсенидов галлия и алюминия. Общая логика выполненных исследований связана с необходимостью разработать методы и оптимизировать процессы жидкофазной эпитаксии гетероэпитаксиальных p-i-n структур, процессы формирования диодных чипов из этих структур, а затем процессы распайки чипов и процессы корпусирования диодов. Ставились также задачи изготовления подложек арсенида галлия для эпитаксии структур и изготовления охлаждающих модулей для расширения области работы диодов при больших нагрузках.

В соответствии с этой логикой был выполнен ряд исследований:

  • Разработана теоретическая термодинамическая модель взаимодействия легирующих окислов между собой и с компонентами раствора-расплава в процессах жидкофазной эпитаксии. Экспериментальная проверка показала, 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.
  • Разработан режим послойного анализа примесей методом ВИМС в толстых гетероструктурах, полученных методом жидкофазной эпитаксии, обеспечивающий возможность проведения анализа примесей в глубоко залегающих слоях.
  • Экспериментально показано, что для получения обратного напряжения в диапазоне 700-750 В толщина i-слоя должна находиться в пределах 27-30 мкм. Дальнейшее увеличение толщины i-области нежелательно, поскольку приводит к росту падения прямого напряжения. Для достижения значений времени обратного восстановления менее 20 нс толщина p-области не должна превышать 15 мкм. В тоже время она должна быть не менее 5 мкм, чтобы обеспечить получение обратного пробивного напряжения в заданном диапазоне. Для получения значений падения прямого напряжения в диапазоне 1,4 – 1,6 В при плотности тока 150 А/см2 требуется толщина n-области менее 30 мкм. В тоже время она должна быть не менее 20 мкм, из-за снижения обратного пробивного напряжения при меньших значениях.
  • Эксперимент показал, что одновременное использование широкозонного буферного слоя AlGaAs и варизонной структуры в составе основного p--i-n- слоя в конструкции гетероструктуры позволяет уменьшить время обратного восстановления на 35%.
  • Проведенные исследования позволили определить основные параметры температурно-временного режима выращивания p-i-n гетероструктуры методом жидкофазной эпитаксии: длительность изотермической выдержки от 60 до 70 минут; превышение температуры изотермической выдержки над температурой начала эпитаксиального роста от 20 до 30°С; формирование высокоомной i-области в интервале температур от 870 до 900°С. Направлены заявки на изобретения.
  • Изготовлен макет ростового устройства прокачного типа из графита, проведены успешные испытания и пробные эпитаксиальные процессы. Полученные гетероструктуры использованы при изготовлении экспериментальных образцов диодов.
  • Определены оптимальные технологические условия формирования паяного соединения на этапе монтажа диодных чипов в корпус: толщина припойного шва (30-40 мкм); температура пайки (350±5 0С с плавным нагревом – охлаждением); газовая среда пайки (азот).
  • Подобран новый состав для ультразвуковой обработки подложек арсенида галлия. Определен оптимальный способ механической обработки анодной стороны гетероструктур GaAs-AlGaAs, состоящий из последовательных операций шлифования, травления и полировки. Данный способ обеспечивает высокое качество омического контакта с низким контактным сопротивлением ρк ≤4·10-5 Ом·см2 и высокой механической прочностью.
  • Проведен расчет геометрических размеров термоэлектрических модулей и термоэлектрических  узлов охлаждения для выбранного ряда  мощностей силовых приборов. Определены оптимальные параметры процесса горячего вакуумного прессования порошков термоэлектрических материалов: давление прессования (50 МПа), температура прессования (420ºС), время прессования (5 мин.).
Результаты исследования

По результатам выполненных исследований был разработаны наборы документов, где зафиксированы процессы изготовления и тестирования гетероэпитаксиальных структур на основе арсенидов галлия и алюминия, силовых p-i-n диодов, подложек GaAs, термоэлектрических узлов и модулей. Каждый из наборов включает эскизную конструкторскую документацию, лабораторный  регламент получения, программу и методики исследований экспериментальных образцов.

В частности, в результате исследований было подтверждено, что разработанное ростовое устройство позволяет выращивать толстые, до 100 мкм, многослойные эпитаксиальные структуры методом жидкофазной эпитаксии со сменой типа слоя и легирующей примеси в процессе роста при низком уровне загрязняющих примесей. Устройство позволяет в одном ростовом процессе выращивать многослойную структуру, состоящую из слоев разного типа и с добавкой различной легирующей примеси. Используется низкозатратный жидкофазный метод, что определяет экономическую эффективность устройства. С его помощью были получены эпитаксиальные гетероструктуры арсенидов галлия и алюминия c интегрированным высокоомным слоем для нового поколения силовых p-i-n диодов.

Изготовлены макеты силовых p-i-n диодов на основе гетероэпитаксиальных структур арсенидов галлия и алюминия, выполнены их экспериментальные исследования и  испытания. Показано их соответствие требованиям ТЗ. Выполненные индустриальным партнером исследования влияния температуры на вольтамперные характеристики и быстродействие экспериментальных образцов силовых p-i-n диодов показали, что быстродействие GaAs-p-i-n диодов при токах 1 А лучше чем у кремниевых приборов (2Д663А95) в 1,5÷2 раза - 16-28 нс против 40 нс; быстродействие кристаллов при токах 15 А лучше в 1,4 раза (35 – 40 нс) по сравнению с кремниевыми аналогами (2Д641ВС - 50 нс). Время обратного восстановления GaAs-p-i-n диодов практически не изменяется с ростом температуры в отличие от кремниевых диодов, быстродействие которых при повышении температуры до 125°С ухудшается в 1,5 раза. При температуре до 250 °С обратные токи GaAs-p-i-n диодов остаются на приемлемом уровне (400 мкА - 800 мкА), в то время как кремниевые диоды при температуре выше 175°С становятся неработоспособными. К положительным характеристикам GaAs-p-i-n диодов следует отнести высокую термополевую стабильность при температурах до 250°С включительно. Испытания экспериментальных образцов p-i-n диодов на основе эпитаксиальных гетероструктур AlGaAs в различных режимах эксплуатации показали, что диоды имеют высокую энергостойкость. Они выдержали значения энергии лавинного пробоя до Е=200 мДж, что много больше значений, нормируемых для кремниевых диодов ( 12,5 мДж). Диоды успешно выдержали испытания на безотказность (500 часов) и долговечность (1000 часов) при температуре окружающей среды 250°С и прямом токе 3 А.

Принципиальным моментом с точки зрения исполнителей было то, что разрабатываемые структуры показали свою пригодность для создания диода с улучшенными характеристиками при некотором значении рабочего тока. При изменении площади чипа пропорционально изменится рабочий ток, благодаря чему можно создавать большой параметрический ряд диодов на разные рабочие токи. Это отдельная большая опытно-конструкторская работа по разработке различных конструкций корпусов диодов на различные номиналы рабочих токов, которую предстоит выполнить индустриальному партнеру в будущем.

Практическая значимость исследования
Разрабатываемые силовые p-i-n диоды на основе гетероэпитаксиальных структур арсенидов галлия и алюминия могут быть использованы в различных устройствах современной промышленной электроники.
Опираясь на технологические возможности индустриального партнера, в ходе проекта будут разработаны технические предложения по производству силовых p-i-n диодов нового поколения. В результате 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 ис-точники питания, устройства формирования и передачи импульсных сигналов, измерительные приборы, приборы автоматического управления, ВЧ-техника, СВЧ-устройства передачи и приёма сигналов, беспроводные технологии.