Современные достижения в производстве SiC- и GaN-приборов силовой электроники

Карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN) являются идеальными материалами для силовых приборов. На настоящий момент, благодаря своим электрофизическим параметрам, эти материалы всё более широко используются для изготовления силовых приборов, в том числе и сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона. Также считается, что SiC и GaN станут основой ключевых компонентов силовой электроники, радио- и оптоэлектроники следующего поколения. Основные области применения приборов на основе этих материалов: ВЧ-электроника (преимущественно GaN-приборы), импульсная силовая электроника, включая драйверы электродвигателей, системы распределения питания и резонансные преобразователи питания с высокой надёжностью, в том числе для аппаратов бортовых систем. Согласно исследованиям Yole Developpement, ожидается, что только для EV/HEV-применений объём рынка SiC-приборов достигнет $400 млн к 2022 году, а рынка GaN-приборов – $420 млн к 2023 году. В целом Yole прогнозирует рынок в размере $1,5 млрд как для SiC-, так и для GaN-приборов в 2023 году с 31% совокупным среднегодовым темпом роста для SiC- и 93% – для GaN-.

Данные материалы в сравнении с кремнием обладают большей критической напряжённостью поля пробоя (приблизительно 1,8…3,5 MВ/см в зависимости от используемого материала), большими скоростями насыщения электронов (2,0…2,5×10⁷ см/с). Кроме того, SiC обладает высокой теплопроводностью (3,9…4,9 Вт/(см•К)), что позволяет создавать приборы, способные работать при температурах выше +800°C [1]. Достигнутый за последние 15 лет прогресс в развитии технологий выращивания подложек и эпитаксиальных слоёв SiC и GaN с приемлемым уровнем дефектности и воспроизводимости электрофизических параметров позволил изготовить на основе этих материалов практически все типы полупроводниковых приборов, в том числе вертикальные GaN-диоды и транзисторы. Наряду с широко известными компаниями в области производства изделий из широкозонных полупроводников, таких как Cree, Infineon, NXP, Episil, ROHM, Nitronex, ST, EPC, GeneSiC, MicroSemi, приборы на основе SiC и GaN начинают разрабатывать и изготавливать совершенно новые компании, такие как FMI, Cerromax, UnitedSiC, SiC Semiconductor и другие, в том числе СКТБ «Микроника» (г. Минск), выполняющее совместные проекты с компаниями Юго-Восточной Азии. Также немалую роль играет усовершенствование TCAD-программ таких фирм, как Cadence и Synopsys, в части развития моделей расчёта техпроцесса и электрических параметров разрабатываемых SiC- и GaN-приборов. Целью данной статьи является краткий обзор уровня производства, основных преимуществ и параметров силовых приборов на основе карбида кремния и нитрида галлия, изготавливаемых широко известными компаниями. 

SiC-диоды Шоттки и FET-транзисторы

SiC-диоды Шоттки характеризуются исключительными динамическими характеристики для работы с напряжениями выше 200 В. Заряд обратного восстановления Q_с этих диодов более чем на порядок меньше, чем у кремниевых MPS-диодов с контактом Шоттки (см. рис. 1) и, кроме того, не зависит от скорости нарастания тока di/dt [2]. Сверхмалое значение заряда Q_с уменьшает потери на переключение. Максимальная температура перехода до +250°С, указанная в ряде спецификаций (GeneSiC), ограничивается в основном возможностями корпуса.

Основные электрические параметры SiC-диодов Шоттки таких известных компаний, как Cree, GeneSiC, Infineon, Rohm, представлены в таблице 1.

По сравнению с кремниевыми диодами с контактом Шоттки (Si-FRD) SiC SBD-диоды могут работать в устройствах с частотой преобразования до 500 кГц, что позволяет снизить габариты и, соответственно, массу индуктивностей. Также они позволяют снизить электромагнитные помехи благодаря чрезвычайно малой величине тока обратного восстановления, что в ряде случаев даёт возможность не использовать сетевой фильтр.

Преимуществами SiC FET-транзисторов являются:

По сравнению с мощными кремниевыми IGBT+FRD приборами транзисторы FET+SBD на карбиде кремния могут работать в устройствах с частотой преобразования до 50 кГц и выше. Основные электрические параметры SiC FET-транзисторов производства Cree, GeneSiC, ST и Rohm приведены в таблице 2.

По результатам сравнительных исследований, проведённых компаниями Rohm и STMicroelectronics, использование SiC FET + SiC-диодов Шоттки в сравнении с IGBT и FRD на кремнии позволяет снизить потери мощности более чем на 50% и увеличить эффективность конечных устройств более чем на 5% [3, 4]. При этом за счёт использования частоты 100 кГц (вместо 25 кГц в случае с IGBT и FRD на кремнии) в boost-конвертере мощностью 5 кВт стоимость индуктивностей на плате снижается примерно на 40% (см. рис. 2), конденсаторов – на 70…72% (см. рис. 3), стоимость радиаторов охлаждения – в 1,5–3 раза. Таким образом, при стоимости SiC-приборов больше, чем соответствующих по мощности Si-приборов, себестоимость конечного модуля может быть такой же и даже ниже, а в перспективе – в 2 раза меньше при условии уменьшения стоимости SiC-диодов Шоттки в 2,5–3 раза (см. рис. 4) [2].

В настоящее время специалисты ведущих мировых компаний и университетских лабораторий работают над использованием для силовых приборов 3C-SiC эпитаксиальных структур, выращенных на кремниевых подложках [5]. Кубический политип 3С-SiC является единственным, который может быть выращен на кремниевой подложке с толщиной, необходимой для мощных силовых приборов. Помимо значительного снижения цены эпитаксиальной структуры технология 3C-SiC/Si также предлагает возможность увеличения размера пластины гораздо быстрее, чем это возможно для широко используемых в коммерческом применении гексагональных политипов 4H-SiC и 6H-SiC. Сегодня 4H-SiC является основным материалом для SiC силовых приборов, но его основным недостатком является низкая подвижность носителей зарядов в канале FET-транзисторов, работающих в ключевом режиме, что не позволяет в полной мере использовать преимущества SiC-материала для рабочих напряжений 200…800 В. В связи с этим ожидается, что силовые приборы (FET-транзисторы и диоды Шоттки), изготовленные с применением 3C-SiC/Si технологии, будут использоваться в применениях с рабочим напряжением 200…800 В (см. рис. 5), а именно: в приводах моторов электротранспорта, включая EV/HEV, системах кондиционирования воздуха, холодильниках и светодиодных системах освещения [5]. Кроме того, при использовании подложки p+Si может быть разработан IGBT-транзистор с характеристиками лучшими, чем у FET-транзистора.

Однако массовому использованию 3C-SiC/Si технологии препятствует большая дефектность кристаллической структуры. Для улучшения качества эпитаксиальных структур специалистами ведущих мировых компаний и университетских лабораторий, включая компании по разработке технологического оборудования, решаются задачи по созданию как специальных подложек кремния, позволяющих уменьшить плотность кристаллографических дефектов и стресс в 3C-SiC эпитаксиальной плёнке, так и новых CVD и PVT процессов для выращивания толстых слоёв 3C-SiC. 

GaN-диоды Шоттки и FET-транзисторы для силовой электроники

GaN-диоды Шоттки для силовой электроники характеризуются лучшими, чем у SiC-диодов, динамическими характеристики: более чем на 30% меньше заряд обратного восстановления, более чем в 2 раза меньше потери мощности (см. рис. 6 и 7) [6]. Также у них более высокая удельная плотность мощности, чем у SiC-диодов. Но несмотря на эти явные преимущества изготовление GaN-диодов Шоттки ограничивается только исследованиями в лабораториях и исследовательских центрах при университетах.

Из основных преимуществ GaN-транзисторов в сравнении с SiC-транзисторами следует отметить более высокую удельную плотность мощности, более высокую частоту переключения, низкое сопротивление в открытом состоянии (см. рис. 8) [7]. По сравнению с мощными транзисторами на других материалах GaN FET-транзисторы обладают рекордной удельной плотностью мощности и высокой эффективностью.

Пионерами и лидерами в производстве GaN FET-транзисторов являются компании EPC и Infineon (IR). Основные электрические параметры GaN FET этих компаний представлены в таблице 3.

Этими компаниями используется GaN-on-Si техпроцесс, позволяющий существенно снизить себестоимость силовых приборов по сравнению с GaN на сапфире, GaN-on-SiC или монолитной GaN-подложке. Однако высокие механические напряжения, возникающие при выращивании GaN эпитаксии на кремниевой подложке из-за очень большого изгиба последней, ограничивают как активную площадь разрабатываемых приборов, так и диаметр пластин. Исследовательский центр компании IBM на конференции APEC 2019 представил новую технологию, которая позволяет в обычном КМОП-процессе с диаметром пластин 200 мм и выше изготавливать высоковольтные (от 48 до 600 В) GaN-приборы размером до 500×500 мкм² [8, 9]. Метод заключается в селективном выращивании 1,5-мкм AlGaN/GaN эпитаксиальной плёнки в областях размером от 1×1 до 500×500 мкм² (см. рис. 9), что позволяет значительно уменьшить плотность кристаллографических дефектов в AlGaN/GaN-материале, при этом площадь заполнения GaN-областями может достигать 50%.

Данный метод позволяет изготавливать полноценные КМОП-управляющие ИМС с интегрированными высоковольтными GaN- транзисторами и диодами. 

Заключение

Значительный прогресс в развитии SiC- и GaN-технологий, достигнутый за последние 15 лет, привёл к появлению коммерческих SiC-диодов Шоттки, SiC- и GaN FET-транзисторов для силовой электроники. Несмотря на большую стоимость этих приборов, в сравнении с соответствующими по мощности кремниевыми приборами, себестоимость конечного модуля может быть такой же и даже ниже за счёт снижения стоимости пассивных компонентов модуля: индуктивностей, конденсаторов, радиаторов охлаждения. 

Литература