Силовая электроника №5'2009

Чем заменить SiC-диоды Шоттки

Виктор Войтович

Александр Гордеев

Анатолий Думаневич

На вопрос, применяет ли он SiC-диоды Шоттки, разработчик аппаратуры из Чебоксар ответил неожиданно мрачно: «Горят, как спички. Использую импортные кремниевые UFRED HFA08TB120». В полемику никто не вступал, так как никто не сомневается, что широкозонные полупроводники будут доминировать и почти вытеснят кремний к 2025–2030 гг., как это произошло с германием. Но есть варианты и на переходный период, один из них предложен в данной статье.

Резкое увеличение энергопотребления послужило толчком к развитию силовой преобразовательной техники, а также отечественной элементной базы — MOSFET, IGBT, FRED и др. По высоковольтным ДМОП и низковольтным Trench MOSFET усилиями ОАО «Ангстрем» Россия достигла зарубежного уровня, но по Trench NPT FS IGBT, а также по IGCT, UFRED, нитрид-галлиевым и карбид-кремниевым технологиям мы лишь с тоской следим за достижениями западных компаний.

Несмотря на заметные успехи ряда фирм (ЗАО «Группа «Кремний», ФГУП «НПП «Пульсар», ОАО «ВЗПП-Сборка», ЗАО «ВЗПП-Микрон» и др.) по созданию отечественных кремниевых UFRED, проблемы с их качеством и серийным выпуском остаются. Причины в свойствах исходного материала, технологических и электрофизических параметрах готовых структур UFRED, радиационных способах регулирования динамических свойств и сильно выраженной зависимости быстродействия от температурного фактора при эксплуатации.

В настоящее время на мировом рынке появилась целая гамма высокотемпературных ультрабыстро-восстанавливающихся диодов (ultrafast recovery diodes) на основе GaN- и SiC-материалов, которые имеют рабочие температуры -60... + 200 °С, и рынок данных приборов стремительно прогрессирует. Тормозящими факторами являются их стоимость, технологические сложности реализации чипов на больших площадях (до 100-200 кв. мм) и др.

Рассмотрим, насколько реальна возможность быстро и эффективно улучшить характеристики кремниевых диодов, приблизить их к 4H-SiС-диодам Шоттки и JBS-диодам или превзойти их.

Компания CLIFTON AS из Эстонии (на территории России и СНГ есть ее эксклюзивный дистрибьютор — компания «Интон», г. Ульяновск) разработала и начала промышленный выпуск серии мощных ультрабыстрых высокотемпературных GaAs p-i-n-диодов с параметрами:

  • VRRM = 200-1200 В;
  • IF = 1-200 A;
  • VF = 1,4-2,3 В;
  • trr1 = 15-40 нс (jF = 10 A/см2, di/dt = 200 A/мкс, VR = 100 B);
  • trr2 = 30-80 нс (jF = 200A/ см2, di/dt =200A/мкс, VR = 200 B);
  • Tj max — до 300 °С.

На рынке силовой ЭКБ это самые высокотемпературные диоды, рабочая температура которых в металлоке-рамических корпусах типа SMD-1, SMD-2, SHD-6 (КТ-94, КТ-95, КТ-105), КТ-106, КТ-43 достигает 250-260 °С. Высокую надёжность работы на этих температурах показали опытные сборки GaAs p-i-n-диодов в ОАО «ОКБ «Искра» (г. Ульяновск).

Научно-технической базой, платформой для разработки и выпуска новых GaAs p-i-n-диодов послужили исследования, разработки и труды советских ученых и инженеров в конце 70-х — начале 80-х годов в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук (г. Санкт-Петербург) и НИИ Таллиннского электротехнического института им. М. И. Калинина и др.

Арсенид галлия по сравнению с другими широкозонными полупроводниками — недорогой материал, широко используемый на российских предприятиях при выпуске СВЧ-приборов. В силовой электронике несколькими западными фирмами (IXYS, TT Electronics-Semelab и др.) выпускаются только GaAs-диоды Шоттки c рабочими напряжениями до 300 В и токами до 50-80 А на структурах прямого эпитакси-ального выращивания из газовой фазы.

Технология CLIFTON использует методы эпитак-сиального выращивания слоев из жидкой фазы (LPE). В настоящее время разработана базовая технология изготовления GaAs р+-р-г-n-n+-структур на подложках диаметром два дюйма; чипы новых UFRED GaAs p-i-n-диодов значительно дешевле SiC-чипов, с позиций однородности и качества структуры данная технология также предпочтительнее.

Высокие пробивные напряжения достигаются заданным профилем легирования эпитаксиальных слоев (слаболегированной базы и высокоомного катода) и технологически сформированной шириной i-области. Структурное совершенство кристалла, обеспечивающее высокий уровень лавинообразования, достигается выращиванием слаболегированной базовой p-i-n-области в одном LPE процессе, когда высоковольтный p-i-n-переход формируется за счет перекомпенсации акцепторных примесей термо-донорными, образующимися в процессе управляемого (регулируемого) охлаждения. Контролируемая концентрация рекомбинационных центров в эпитаксиальных слоях диодной структуры позволяет достичь исключительно низких значений trr и Qrr. Проводимые в настоящее время исследования по радиационной обработке GaAs p-i-n-структур могут позволить GaAs p- i- n-диодам практически сравняться с SiC-диодами по быстродействию, при этом у GaAs p-i-n-диодов сохраняется ряд преимуществ.

На рис. 1 приведена базовая структура кристалла GaAs p-i-n-диода.

Профили распределения примесей в структуре показаны на рис. 2.

Промежуточная p-область создана для увеличения коэффициента мягкости S = tf/ts за счет более равномерного распределения электронно-дырочной плазмы в высоко-омной катодной зоне и снижения ее градиента (профиля) неосновных носителей вблизи инжекционного перехода. Данная конструкция решает еще одну задачу, какой является динамическая устойчивость (несмотря на мягкий режим коммутации). При режиме обратного восстановления, из-за неравномерности электронно-дырочной плазмы, в силу неизбежных факторов, таких как толщина эпитаксиального слоя и время жизни неосновных носителей, через диод протекает «хвост» тока, когда в то же время приложено максимальное постоянное напряжение. Если IGBT- или MOSFET-ключ переключается резко, на диоде будут расти обратный и хвостовой ток, резкий перепад напряжения UКЭ и UСИ приведет к большой скорости нарастания напряжения dU/dt при очень высоком dI/dt. Эта проблема заметно снижена данной конструкцией кристалла GaAs p-i-n-диода, что отражено на рис. 3. Минимальное значение энергии вторичного пробоя GaAs p-i-n-диодов в корпусах ТО-220 (15 А, 600 В) составляет 20 мДж (на рис. 3 это 20.6 mJ), максимальное — достигает 60 мДж, что говорит о высокой динамической устойчивости диодов CLIFTON.

Что такое высокая рабочая температура GaAs p-i-n-диода (CLIFTON)?

Это:

  • независимость времени восстановления trr от температуры;
  • независимость и отсутствие роста Qrr от температуры;
  • независимость обратного пикового тока от температуры;
  • независимость коэффициента «мягкости» от температуры;
  • управляемость зависимости прямого падения UF от температуры (положительная или отрицательная), чего нет и не может быть у SiC-диода Шоттки.
  • Жесткая «мягкость» кремниевых UFRED и мягкая «мягкость» GaAs p-i-n-диодов с ростом температуры показаны на рис. 4. Лучшей антирекламы для Si UFRED нет.

    По своим динамическим характеристикам восстановления и сопутствующим энергетическим потерям GaAs p-i-n-диоды в диапазоне до 200 °С практически не уступают SiC-диодам Шоттки, выше этой температуры — превосходят их. (Попросту SiC-ДШ не работают при температуре выше 200 °С, они превращаются в терморезистор.)

    Благодаря широкой i-области емкость диода значительно — в три раза (!) — меньше, чем у SiC-диода Шоттки и значительно в меньшей степени зависит от напряжения. А это — частоты. Предельная частота GaAs p-i-n-диодов почти на два порядка превосходит кремниевые диоды и, предположительно, в два раза (при T = 250 °C) превосходит частоту коммутации SiC-диодов Шоттки.

    Энергия динамических потерь при T = 25 °C и T = 100 °C показана на рис. 5. Расчеты показывают возрастание потерь при переключении у SiC-диодов Шоттки при T >175 °C.

    На рис. 6-8 показаны обратные и прямые вольт-амперные характеристики GaAs p-i-n-диодов в зависимости от температуры. Необходимо отметить возможность регулировки коэффициента температурной зависимости прямой ВАХ от отрицательного (рис. 7) до положительного (рис. 8) или стабилизации его, это важно при работе с MOSFET, IGBT или при использовании в выпрямительных блоках.

       

    Сравнение нагрузочных характеристик быстродействующих диодов на основе различных материалов приводится на рис. 9 и в таблице 1, что показывает эффективность применения GaAs p-i-n-диодов в различных преобразовательных устройствах и возможность их успешной конкуренции по плотности преобразованной энергии на единицу объема.

    Сравнительные характеристики новых GaAs-диодов и SiC-диодов Шоттки приведены в таблице 2.

    Реальные характеристики готовых к выпуску GaAs p-i-n-диодов приведены в таблице 3.

    Сравнительные динамические параметры FRED, UFRED Si-диодов и GaAs p-i-n-диодов показаны в таблицах 4, 5 и на соответствующих графиках зависимостей токовых характеристик от частоты, приведенных на рис. 10, 11.

     

    Гибридизация (микросборка) данных диодов с чипами 2П829Б (полумостовая схема) показала устойчивость работы такого полумоста и моста на этой основе на частоте 250 кГц не хуже, чем схемотехнический и функциональный аналог APTC80H29SCT с SiC-диодами Шоттки. Во всяком случае, уже сейчас GaAs p-i-n-диоды — хорошее подспорье для создания новых высокоэффективных преобразователей электроэнергии (энергосберегающая программа ОАО «Российская электроника»).

    Необходимо отметить, что конструкция кристалла в сочетании металлизацией анодной и катодной областей по типу золото/золото позволяет выполнять монтаж кристаллов в DirectFET- или ThinKey-корпусах с достижением частот коммутации (преобразования) до 2 МГц и выше во всем рабочем диапазоне температур, а также с хорошей возможностью прямого монтажа в гибридных мощных модулях, микросборках ВИП.

    Новые возможности LPE-технологии — это не только GaAs p-i-n-диодные структуры. Появляется возможность создания в течение ближайшего времени аналога IGBT-ключа на токи до 150 А, напряжение 1200 В с частотой коммутации до 300 кГц, то есть выше, чем у кремниевых IGBT, на полпорядка, с потерями энергии при переключении значительно более низкими, чем у кремниевых приборов. Конструкция данного ключа будет приведена в публикации в следующем номере журнала «СЭ».

    В течение года планируются следующие разработки на основе GaAs р+-р-i-n-n+-структур:

    1. Мощный GaAs p-i-n-диод с параметрами 1200 В; 1000 А; 2,0 В; 1 МГц, 200 °С.

    2. Высоковольтный столб. Параметры: 6,512 кВ; 1-100 А; 50-200 нс; 200 °С.

    3. В поле зрения — проработка следующих направлений: динисторы (до 300 кГц), управляемые тиристоры (до 300 кГц), эффективные фотоприемники, радиоизотопные источники питания, JFET, p-n-p-транзисторы до 400 В, >1,5 ГГц, термодатчики, детекторы гамма-нейтронного излучения и др.

    4. У России появляется возможность вспомнить свое славное прошлое и достаточно быстро и эффективно развить данное перспективное инновационное направление в области энергосбережения. Аналогов приборов, приведенных в данной статье или планируемых к разработке, не существует.

    Изложенные конструктивные, технологические, технические решения настоящей статьи являются интеллектуальной собственностью авторов статьи, фирм CLIFTON AS (г. Тарту, Эстония); «Интелсоб», «ИНТОН» (г. Ульяновск).

    *  *  *

    Другие статьи по этой теме


     
    ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

    Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
    Хорошо
    Нормально
    Плохо