Исследование пределов тепловой стабильности современных мощных полупроводниковых приборов на основе кремния и новых широкозонных материалов

Сформулированы цели и задачи проведения НИР по поиску новых возможностей повышения тепловой стабильности мощных полупроводниковых приборов. Описаны подходы, которые будут применяться для решения поставленных задач. Отмечено, что обнаруженные недавно особенности температурной зависимости вольтамперных характеристик современных карбидокремниевых и кремниевых приборов свидетельствуют о том, что работа этих приборов выходит за рамки существующих представлений о тепловых режимах работы мощных структур.В ходе работ по данному этапу проведены патентные исследования. Осуществлен анализ технического уровня, выявлены тенденции развития в области разработки и технологии изготовления мощных энергосберегающих полупроводниковых приборов с высокой тепловой стабильностью при работе в параллельном соединении, с увеличенными значениями рабочего и ударного токов и сниженной мощностью потерь.Результаты, которые будут получены при выполнении проекта, явятся также составной частью научной базы, необходимой для выполнения работ по проектированию мощных приборов. Это делает возможным использование этих результатов в научно-исследовательских организациях, вузах и промышленных предприятиях отрасли. С этой точки зрения результаты работы по проекту могут иметь не только научно-технический, но также и социально-экономический эффект, связанный с сокращением сроков разработки приборов, оптимизацией их конструкции и, таким образом, снижением их себестоимости.

На данном этапе работ был проведен комплекс теоретических и экспериментальных исследований физических особенностей тепловых процессов в современных мощных полупроводниковых структурах.
Развита аналитическая теория, позволяющая определить параметры точек инверсии температурного коэффициента напряжения высоковольтных p-n-n+- структур с учетом основных физических эффектов высокого уровня легирования и высокого уровня инжекции. При построении теории приняты во внимание температурные зависимости ширины запрещенной зоны, подвижности и коэффициентов диффузии носителей (электронов и дырок), электронно-дырочного рассеяния, контактного сопротивления и времени жизни неравновесных носителей в блокирующей базе диода. Результаты теории сопоставлены с адекватным численным моделированием для высоковольтных p-n-n+- структур на основе кремния и карбида кремния. Показано, что предсказания аналитической теории хорошо согласуются с результатами численных расчетов.
Предложена аналитическая модель, позволяющая учесть особенности влияния Оже-процессов в базовой области мощной структуры на положение точек инверсии на вольтамперной характеристике (ВАХ) высоковольтных полупроводниковых диодов. Впервые показано, что Оже-рекомбинация не только изменяет положение точек инверсии на ВАХ диодов, но также меняет число возможных точек инверсии в структурах. Полученный результат создает физическую основу для определения режима стабильной работы мощных полупроводниковых приборов в зависимости от совокупности электрофизических параметров структуры.
Для проверки выводов аналитической модели проведен численный эксперимент с помощью программы «ИССЛЕДОВАНИЕ». Результаты численных расчетов полностью согласуются с выводами аналитической модели.
Проведено экспериментальное исследование вольтамперных характеристик мощных полупроводниковых диодов импульсным методом в широком диапазоне плотностей тока (вплоть до j=8000A/см2). Показано, что при больших плотностях тока, соответствующих ударным токам, изотермические прямые вольтамперные характеристики мощных высоковольтных выпрямительных диодов на основе кремния и карбида кремния принципиально не могут быть измерены экспериментально в случае, если время жизни неосновных носителей в базе достаточно велико, чтобы обеспечить эффективную модуляцию базы при протекании прямого тока. В таких случаях изотермические вольтамперные характеристики, необходимые для расчета тепловой устойчивости диодов, могут быть "восстановлены" из экспериментальных импульсных характеристик на основе сопоставления с адекватной аналитической или численной моделью. В рамках проведенных исследований такая процедура восстановления была разработана и ее эффективность была продемонстрирована для диодов на основе карбида кремния с рекордно высоким временем жизни неравновесных носителей в n-базе  = 3.7 s при комнатной температуре.
Экспериментально и теоретически исследован режим саморазогрева высоковольтных диодов на основе 4H-SiC при протекании постоянного тока через структуру. Предложена аналитическая модель, позволяющая рассчитать неизотермические вольтамперные характеристики в режиме постоянного тока на основе известных изотермических I-V характеристик. Впервые показано, что под влиянием саморазогрева в мощных структурах на основе SiC возникает режим отрицательного дифференциального сопротивления N-типа. Этот факт существенно отличает карбидокремниевые структуры от кремниевых, поскольку в последних под влиянием саморазогрева возникает режим отрицательного дифференциального сопротивления S-типа.
В исследованных экспериментально высоковольтных диодах основной вклад в общее тепловое сопротивление структуры дает тепловое сопротивление подложки. Поэтому уменьшение толщины подложки может позволить кардинально уменьшить тепловое сопротивление структуры. Показано, что вклад в общее тепловое сопротивление структуры от блокирующей базы, подложки, и переходного слоя подложка - теплоотвод обратно пропорционален квадрату диаметра структуры a2. В то же время вклад внешнего теплоотвода обратно пропорционален диаметру структуры a. Поэтому с ростом рабочей площади прибора относительный вклад теплоотвода в общее тепловое сопротивление растет. При практически достигнутых в современной SiC технологии диаметрах силовых диодов 2-3 мм именно вклад теплоотвода в полное тепловое сопротивление может стать решающим, особенно, при не слишком толстой подложке. Важную роль в саморазогреве структуры играет величина контактного сопротивления и его температурная зависимость.
Статьи, содержащие полученные результаты, опубликованы в ведущих российских и международных журналах.

Развита аналитическая теория, позволяющая определить параметры точек инверсии темпе-ратурного коэффициента напряжения высоковольтных p-n-n+- структур с учетом полной совокуп-ности физических эффектов высокого уровня легирования и высокого уровня инжекции. Резуль-таты теории сопоставлены с адекватным численным моделированием для высоковольтных p-n-n+- структур на основе кремния и карбида кремния. Показано, что предсказания аналитической тео-рии хорошо согласуются с результатами численных расчетов.
Проведено экспериментальное исследование ВАХ мощных полупроводниковых диодов импульсным методом в широком диапазоне плотностей тока (вплоть до j=8000A/см2). Показано, что при больших плотностях тока, соответствующих ударным токам, изотермические, прямые вольтамперные характеристики мощных высоковольтных выпрямительных диодов на основе кремния и карбида кремния принципиально не могут быть измерены экспериментально в случае, если время жизни неосновных носителей в базе достаточно велико, чтобы обеспечить эффектив-ную модуляцию базы при протекании прямого тока. Вместе с тем показано, что изотермические вольтамперные характеристики, необходимые для расчета тепловой устойчивости диодов, могут быть "восстановлены" из экспериментальных импульсных характеристик. Такая процедура вос-становления была разработана и ее эффективность продемонстрирована для диодов на основе кар-бида кремния с рекордно высоким временем жизни неравновесных носителей в n-базе  = 3.7 s при комнатной температуре.
Экспериментально и теоретически исследован режим саморазогрева высоковольтных дио-дов на основе 4H-SiC при протекании постоянного тока через структуру. Предложена аналитиче-ская модель, позволяющая рассчитать неизотермические вольтамперные характеристики в режиме постоянного тока на основе известных изотермических I-V характеристик. Впервые показано, что под влиянием саморазогрева в мощных структурах на основе SiC возникает режим отрицательно-го дифференциального сопротивления N-типа. Этот факт существенно отличает карбидокремние-вые структуры от кремниевых, поскольку в последних под влиянием саморазогрева возникает ре-жим отрицательного дифференциального сопротивления S-типа.
Разработан метод определения области тепловой стабильности мощных диодов и тиристоров на основе кремния и карбида кремния.
Подготовлен проект ТЗ на проведение НИОКР по разработке серии новых мощных энерго-сберегающих кремниевых быстровосстанавливающихся диодов с увеличенной термостабильно-стью, предназначенных для комплектации силовых IGBT-модулей.