Вертикальные GaN-приборы – следующее поколение силовой электроники

Вертикальные GaN-приборы – следующее поколение силовой электроники

Выпуск 11 (6710) от 11 июня 2020 г.
РУБРИКА: ДАТЧИКИ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

Корпорация NexGen Power Systems (Санта-Клара, шт. Калифорния, США) приступила к изготовлению вертикальных мощных полупроводниковых приборов на подложках из нитрида галлия (GaN) с использованием гомоэпитаксиального GaN. Эти приборы, обладающие способностью переключения при очень высоких частотах и работающие при высоких напряжениях, предназначены для использования в новом поколении более энергоэффективных систем силовой электроники.

Утверждается, что вертикальные GaN-приборы на 90% меньше аналогичных кремниевых приборов. Их потери при переключении на 67% ниже, чем у кремниевых МОП полевых транзисторов (Si MOSFET) в большинстве стандартных применений, особенно в источниках питания. Как известно, GaN является материалом с широкой запрещенной зоной, что позволяет изготовленным из него приборам работать при более высоких температурах и напряжениях по сравнению с кремниевыми приборами. Более того, GaN обладает бóльшим напряжением пробоя, что позволяет изготавливать более тонкие приборы с низким омическим сопротивлением. Меньшее значение сопротивления области истока–стока во включенном состоянии (RDS(on)) дает возможность создания миниатюрных приборов с низким емкостным сопротивлением.

Все вышеперечисленное обеспечивает значительные конкурентные преимущества вертикальных мощных полупроводниковых приборов на GaN по сравнению с горизонтальными приборами, изготовленными с применением других материалов, – ​особенно в плане интеграции.

Преимущество выращивания эпитаксиальных слоев с низкой концентрацией дефектов на монолитных GaN-подложках с низкой концентрацией дефектов заключается в том, что данный подход позволяет создавать вертикальные мощные приборы с повышенной надежностью при недонапряженииНедонапряжение (undervoltage) – ​сброс электрического напряжения до значений, представляющих опасность для потребителя (например, прибора). и термическом напряжении – ​по сравнению с горизонтальными GaN приборами, изготовленных на других подложках.

Вертикальные GaN-приборы способны работать при высоком напряжении пробоя (табл. 1), что позволяет использовать их в качестве источников питания в применениях с самыми высокими требованиями, таких как серверы центров обработки данных (ЦОД), электромобили, инверторы солнечных батарей, электродвигатели и высокоскоростные поезда.


Таблица 1

Сопоставление характеристик Si, SiC и GaN

Параметр

Материал

Si

SiC

GaN

Ширина запрещенной зоны, эВ

1,12

3,26

3,45

Критическая напряженность электрического поля (Ec), МВ/см

0,30

2,20

3,30–3,70 (монолитный GaN)

Коэффициент добротности Балига (FOM) = e×m×Ec3

1

675

3000


Традиционные мощные приборы и горизонтальные приборы типа «GaN-на-кремнии»

Для обработки или преобразования электрической энергии в силовой электронике применяются твердотельные приборы – ​широко распространенные и доступные во всех формах и размерах мощные преобразователи или адаптеры. В большинстве преобразователей, называемых импульсными источниками питания (switched mode power supply, SMPS), для передачи мощности от входа с заданным напряжением и током к выходу при другой конфигурации напряжения–тока используются конденсаторы, индукторы, трансформаторы и полупроводниковые переключатели (рис. 1).



Источник: NextGen Power Systems

Рисунок 1. Блок-схема импульсного источника питания


Конденсаторы, индукторы и трансформаторы – ​пассивные и физически большие компоненты. Для уменьшения размера SMPS требуется увеличение рабочей частоты подобных компонентов. Это, в свою очередь, обеспечивается применением более совершенных полупроводниковых переключателей, способных преодолеть ограничения существующих кремниевых переключателей, чья верхняя планка по рабочей частоте обычно ограничена парой сотен килогерц.

За последние три десятилетия на рынке мощных приборов доминировали кремниевые устройства, такие как кремниевые MOSFET и биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). В последнее время кремниевые MOSFET демонстрируют лишь постепенное повышение производительности – ​физические пределы возможностей кремния как материала уже достигнуты и нет возможности добиться чего-то принципиально нового.

Альтернативу кремнию составляют карбид кремния (SiC) и GaN, но второй материал обычно обладает более привлекательными фундаментальными свойствами.

Современные GaN-приборы изготавливаются на гибридных подложках: тонкие слои GaN на кремнии или SiC позволяют создать структуры транзисторов с высокой подвижностью электронов (high electron mobility transistor, HEMT) типа «GaN-на-кремнии» или «GaN-на-SiC» (рис. 2).



Источник: NextGen Power Systems

Рисунок 2. Схематическое изображение HEMT-прибора типа «GaN-на-кремнии»


Горизонтальные приборы типа «GaN-на-кремнии» или «GaN-на-SiC» объединяют материалы с несогласованными коэффициентами теплового расширения (CTE), что ставит под угрозу как надежность, так и производительность. Кроме того, в типичном GaN-HEMT-приборе канал находится очень близко к поверхности (порядка нескольких сотен нанометров), что создает проблемы пассивации и охлаждения. В горизонтальном приборе типа «GaN-на-кремнии» пробивное напряжение определяется разделением областей стока и истока. Более широкое разделение стока и истока приводит к увеличению сопротивления канала и ограничению пропускной способности по току. Чтобы компенсировать это и увеличить токонесущую способность, ширина прибора должна быть увеличена. Сочетание более высокого напряжения и более высоких требований к току приводит к созданию устройств с большой площадью и, следовательно, более высокими емкостными сопротивлениями. Следовательно, горизонтальные приборы ограничены пробивным напряжением примерно 650 В.

Ключевым свойством Si- и SiC-приборов для защиты в условиях кратковременного перенапряжения является лавинный пробой. Отсутствие p-n-переходов в горизонтальных HEMT типа «GaN-на-кремнии» предотвращает лавинный пробой в этих приборах. Кроме того, HEMT типа «GaN-на-кремнии» трудно охлаждать сверху из-за чувствительности токовой проводимости вблизи поверхности прибора. Буферные слои, отделяющие кремниевую подложку от слоя GaN, ограничивают эффективность охлаждения нижней стороны. Это означает, что для охлаждения HEMT типа «GaN-на-кремнии» часто приходится создавать заказные корпуса, что еще больше увеличивает их стоимость.


Вертикальные GaN мощные приборы

В случае сочетания GaN и Si или SiC рассогласование параметров их решеток ухудшает электрические свойства GaN и влияет на надежность. В случае выращивания GaN-приборов на GaN-подложках и параметры решеток, и CTE идеально сочетаются – ​это один и тот же материал. В результате на монолитной GaN-подложке можно эпитаксиально вырастить очень толстые слои GaN, что позволяет создавать высоковольтные приборы.

Технология вертикальных GaN-приборов позволяет реализовать весь потенциал свойств GaN-материала, поскольку она основана на гомо-эпитаксиальном выращивании GaN на GaN-подложках. Кроме того, вертикальные GaN-приборы используют все три пространственных измерения: более высокое пробивное напряжение за счет увеличения толщины дрейфового слоя, низкое сопротивление области истока–стока во включенном состоянии (RDS(on)) и допустимая нагрузка по току за счет увеличения площади устройства позволяют эффективно создавать 3D-приборы, в которых уменьшена связь напряжения пробоя и допустимой нагрузки по току (RDS(on)).

Системы переменного тока требуют высокоэффективных схем компенсации коэффициента мощности с существенным уменьшением гармонических искажений. Высокая частота переключений вертикальных GaN-приборов позволяет создавать новые алгоритмы управления и реализовать все это с меньшими занимаемыми площадями и увеличенной эффективностью.

На рис. 3 показаны схемы полевого транзистора с управляющим p-n-переходом с расширенными возможностями (enhancement mode junction field-effect transistor, eJFET) и HEMT типа «GaN-на-кремнии». Представители корпорации NexGen Power Systems заявляют, что им удалось продемонстрировать толщину дрейфового слоя более 40 мкм. Это обеспечивает изготовление диодов с пробивным напряжением выше 4000 В и транзисторов с удельным сопротивлением 2,8 мОм×см2. Таким образом, при той же самой допустимой нагрузке по току размеры вертикальных GaN-приборов оказываются примерно в шесть раз меньше, чем у 650-В HEMT типа «GaN-на-кремнии», но они обеспечивают гораздо большее пробивное напряжение – ​1200 В. Вертикальный GaN-eJFET обладает возможностью лавинного пробоя, которая защищает прибор при превышении заданного пробивного напряжения.



Источник: NextGen Power Systems

Рисунок 3. Схематическое сопоставление вертикального GaN-eJFET и HEMT типа «GaN-на-кремнии». Белые пунктирные линии обозначают путь электронной проводимости


Вертикальные GaN-приборы формируются так, чтобы проводить ток через дрейфовый слой, находящийся внутри основной части транзистора. Таким образом, отсутствует механизм динамического изменения RDS(on), который создается зарядами, захваченными вследствие наличия примесей на поверхности раздела. Расширение обедненной области затвор–исток диода в канал управляет электрическим током между стоком и истоком. В ситуациях, когда пробивное напряжение превышено, лавина первоначально происходит через область затвор–исток диода с обратной полярностью, что впоследствии вызывает лавинный ток, увеличивающий напряжение этой области и делает канал открытым и проводящим.

Из-за малой выходной емкости потери при переключениях очень малы. В отличие от горизонтальных GaN-приборов тепло оптимально передается через однородный материал – ​без дополнительных слоев – ​непосредственно к выводной рамке корпуса (табл. 2) в верхней и нижней части прибора.

Преимущество этого прибора заключается в том, что оно имеет только p-n-переходы, сделанные из GaN. Здесь нет двумерных электронных газов и сложных слоев материалов. Вместо этого используется хорошо изученная структура JFET с расширенными возможностями, и поскольку она имеет p-n-переходы, есть возможность лавинного пробоя, исключающего разрушительный пробой. Поскольку все это происходит в монолитной части прибора, она может поглощать изрядную часть энергии во время лавинного пробоя, а после этого события прибор восстанавливается и работает как обычно. Таким образом, он имеет встроенный предохранительный механизм, поэтому характеризуется гораздо большей надежностью и робастностью.


Таблица 2

Преимущества гомоэпитаксиально выращенной структуры

Свойства

«GaN-на-кремнии»

Вертикальный GaN

Концентрация дефектов, см–2

109

103–105

Рассогласование параметров решетки, %

17

0

Толщина слоя, мкм

1–2

>40

Рассогласование коэффициентов теплового расширения, %

54

0

Напряжение пробоя, В

900

4000

Ток утечки в выключенном состоянии

Высокий

1 нА (низкий)

Возможность лавинного пробоя

Нет

Да

Надежность

Низкий

Высокий


Использование GaN-приборов в силовых цепях

Вертикальный GaN-прибор корпорации Nex-Gen – ​это JFET, имеющий сходство с FinFET, используемыми в кремниевых логических приборах.

Разность напряжений между затвором и истоком (VGS) управляет током между стоком и истоком. Когда VGS находится ниже порогового напряжения (Vt), канал JFET закрывается. Когда VGS больше, чем Vt, канал открывается и ток может течь между истоком и стоком. Этот ток протекает внутри монолитной части прибора. Подвижность электронов высока и вместе с меньшей емкостью p-n-переходов обеспечивает очень малую выходную емкость устройства (Coss). Это позволяет приборам эффективно работать на высоких частотах и дает возможность использовать их в применениях с частотами переключений 1 МГц.

Симметричная конструкция JFET позволяет истоку и стоку обмениваться функциями, если напряжение на электроде стока падает ниже напряжения на электроде истока (то есть ток канала может течь в обратном направлении). Это напоминает функцию паразитного диода в кремниевых MOSFET, но без потерь и потенциальных проблем с надежностью, вызванных удалением заряда неосновного носителя (обратным восстановлением).

Вертикальные GaN-eJFET корпорации NexGen могут управляться хорошо зарекомендовавшими себя и экономичными стандартными недорогими кремниевыми MOSFET задающими устройствами (рис. 4) с незначительными изменениями существующих конструкций. Это позволяет быстро внедрять новые приборы с улучшенными характеристиками.



Источник: NextGen Power Systems

Рисунок 4. Управление вертикальными GaN-eJFET компании NexGen


Технология вертикальных GaN-приборов корпорации NexGen сочетает в себе свойства устройств, которые ранее считались несовместимыми. Основные области применения, где можно испытать потенциал этой новой технологии, – ​преобразование энергии в автомобилях, потребительских приборах, гелиотехнике, электродвигателях и ЦОД. Реализованные на ее основе приборы обеспечивают более низкие потери на более высоких частотах переключения и лучшую лавинную устойчивость, чем переключательные приборы, созданные с использованием других технологий. Кроме того, вертикальные GaN-приборы эффективно конкурируют по стоимости с кремниевыми приборами.

Конечные электронные приборы и системы – ​от мобильных телефонов до портативных компьютеров – ​становятся все меньше и портативнее. При использовании вертикальных GaN-приборов системы питания также могут стать компактными, легкими и более дешевыми.

Особенной яркий пример – ​использование подобных приборов в ЦОД. В стандартной стойке ЦОД определенное пространство зарезервировано для источника питания, преобразующего переменный ток в постоянный. В стойке с потребляемой мощностью 30 кВт обычно содержится 31 вычислительный блок и 11 блоков питания. Если уменьшить размер блоков питания на 50% при одновременном увеличении частоты переключений, то для той же стойки потребуется только пять блоков питания, а освободившиеся шесть мест можно заполнить вычислительными блоками. Это означает увеличение вычислительной плотности на 20%.

Таким образом, вертикальные GaN мощные полупроводниковые приборы позволяют решать весь спектр задач преобразования мощности, которые в настоящее время могут решаться только бóльшим числом приборов, реализованных по различным технологиям.


Di Paolo Emilio Maurizio. Vertical GaN Devices – ​the Next Generation of Power Electronics. EE Times, May 16, 2020: https://www.eetimes.com/vertical-gan-devices-the-next-generation-of-power-electronics/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ