Превосходный дизайн за счет полупроводников со сверхширокой запрещенной зоной

Источник изображения: Nibaphoto / Shutterstock.com

Автор Пол Голата, Mouser Electronics

Опубликовано 18 ноября 2020 г.

Стремление к более высокой производительности

У меня есть итальянское наследие. Помимо того, что я самопровозглашенный ценитель итальянской кухни, в первую очередь того, что составляет отличную пиццу, у меня также есть небольшое желание ехать по дороге на Ferrari SF90 Stradale, а не на моем Lexus ES300. Название суперкара - отсылка к 90-летию основания гоночного подразделения Ferrari. Scuderia Ferrari (SF), воплощающая инженерные достижения Ferrari в автомобильном мире. SF90 Stradale - первый Ferrari, оснащенный архитектурой Plug-in Hybrid Electric Vehicle (PHEV), в которой двигатель внутреннего сгорания интегрирован с тремя электродвигателями. Хотя бензиновые автомобили Ferrari известны как высокопроизводительные инженерные произведения искусства, новая гибридно-электрическая версия превосходит их (2,5 секунды,

Ультра-производительность

Как и в случае с SF90, появление полупроводников со сверхширокой запрещенной зоной (UWBG) открывает новые возможности во многих областях благодаря их многочисленным превосходным свойствам. Полупроводники СШП имеют ширину запрещенной зоны, значительно превышающую ширину запрещенной зоны кремния (Si, ширина запрещенной зоны 1,1 эВ), и полупроводники с широкой запрещенной зоной, такие как нитрид галлия (GaN, ширина запрещенной зоны 3,4 эВ) и карбид кремния (SiC, ширина запрещенной зоны 3,3 эВ). Такие материалы, как оксид галлия (Ga ₂ O ₃ ), кубический нитрид бора (c-BN) и нитрид алюминия-галлия (AlGaN), находятся на переднем крае исследований этих полупроводниковых материалов. В этой статье будут представлены полупроводниковые материалы UWBG, в том числе их потенциальные применения в электронном дизайне. (В этой статье под СШП будут пониматься полупроводники с шириной запрещенной зоны ≥ 4 эВ.)

ГВБ

Прежде чем рассматривать полупроводники UWBG, необходимо провести обзор статуса полупроводников WBG по сравнению с традиционным Si. Полупроводники WBGменьше, быстрее и эффективнее, чем аналогичные компоненты на основе Si. Устройства WBG также обеспечивают большую надежность в более сложных условиях эксплуатации. Некоторые из преимуществ полупроводников WBG перед Si в силовой электронике включают более низкие потери для повышения эффективности, более высокие частоты переключения для более компактных конструкций, более высокие рабочие температуры, устойчивость в суровых условиях и высокое напряжение пробоя. Разнообразные приложения варьируются от промышленных функций, таких как приводы двигателей и источников питания, до автомобильных и транспортных систем, включая гибридные и электрические транспортные средства (HEV / EV), фотоэлектрические (PV) инверторы, железнодорожные и ветряные турбины. Поставщики, производящие эту продукцию, включают:

• Системы GaN
• Infineon Technologies
• ON Semiconductor
• Корво
• ROHM Semiconductor
• STMicroelectronics
• Wolfspeed / Cree

Полупроводники UWBG

Нитрид алюминия-галлия (AlGaN)

GaN - полупроводник WBG. Когда алюминий (Al) вводится вместе с GaN, может быть создан сверхширокополосный полупроводник, обычно в диапазоне 3,4–6,2 эВ. AlGaN чаще всего используется для производства светодиодов (LED) и лазерных диодов. AlGaN используется таким образом, потому что его запрещенная зона пропускает свет в приблизительном диапазоне 220-450 нм. Он также находит применение в качестве детектора ультрафиолета и в транзисторах с высокой подвижностью электронов (HEMT).

Нитрид алюминия (AlN)

Оставьте галлий (Ga) и работайте только с алюминием (Al) и окисленным азотом, также известным как нитрид; этот процесс производит нитрид алюминия (AlN) ( рис. 1 ). Как и AlGaN, он часто используется в оптоэлектронике для таких элементов, как ультрафиолетовые (УФ) светодиоды. AlN имеет ширину запрещенной зоны 6,1 эВ, обладает отличными характеристиками теплопроводности и химически устойчив. Он может работать на высоких частотах и ​​уровнях мощности.

Рис. 1: Нитрид алюминия (формула AlN) часто используется в оптоэлектронике для таких элементов, как ультрафиолетовые (УФ) светодиоды. (Источник: Orange Deer studio / Shutterstock.com)

Нитрид кубического бора (c-BN)

Бор и азот ( рис. 2 ) можно объединить для получения нитрида бора, одной из форм которого является кубический нитрид бора (c-BN). C-BN имеет UWBG 6,4 эВ. Одна из вещей, которая делает это соединение уникальным, заключается в том, что оно имеет несколько схожие свойства с алмазом, чистым углеродом (C), ширина запрещенной зоны которого составляет 5,5 эВ. Алмазы известны как самый твердый материал. C-BN не такой твердый, как алмазы, но обладает более высокой химической и термической стабильностью.

Рисунок 2: Векторные символы для бора и азота с информацией из таблицы Менделеева и атомными представлениями на фоне. (Источник: Mouser Electronics)

Триоксид галлия (Ga ₂ O ₃ )

При ширине запрещенной зоны 4,9 эВ триоксид галлия (Ga ₂ O ₃ ) представляет собой неорганическое соединение, которое представляет собой окисленную версию галлия ( таблица 1 ). На сегодняшний день он в основном используется в оптоэлектронных приложениях. Этот материал можно легировать при комнатной температуре, что дает потенциальные производственные преимущества. Ученые изучают возможность производства недорогих пластин большого диаметра с использованием выращивания из расплава для изготовления объемных монокристаллов.

Таблица 1: Характеристики ширины запрещенной зоны некоторых материалов СШП. (Источник: Автор).

Силовая электроника

Полупроводники WBG сделали возможным более эффективное и компактное преобразование энергии в различных приложениях. Полупроводники WBG имеют более низкие омические потери. Стремление исследовать полупроводниковые материалы UWBG мотивировано желанием достичь некоторого неопределенного улучшения плотности мощности на порядок, аналогичного переходу от Si к компонентам WBG. Полупроводники UWBG также обладают потенциалом для переключения очень больших напряжений без теплового пробоя или проблем с надежностью. Например, AlGaN может предложить ~ 10x нижнюю R _на чем GaN. UWBG также предлагает:

• Более высокая эффективность на высоких частотах
• Меньшие омические потери
• Количество нижних частей
• Более высокая надежность

Цифры заслуг

Желая добиться большей плотности мощности преобразователя (Вт / площадь ³ ), инженеры используют показатели качества (FOM). При масштабировании плотности мощности в зависимости от свойств полупроводникового материала используются два основных FOM:

Вертикальный униполярный (балига) рисунок достоинства (vUFOM): (ɛµ _n E _c ³ ) / 4

Материал достоинства Хуанга (HM-FOM): E _c µ _n ^1/2

Формула UFOM выводится математическим соотношением между выключенным состоянием, законом Гаусса и включенным состоянием. Ключевым моментом, на котором мы хотим сосредоточиться, является E _C , критическое электрическое поле. Для GaN, Е _С составляет от 4 до 5, а для AlN, Е _С составляет около 13 лет .

Относительный FOM для Si установлен на единицу. Предположим, что кто-то подставляет значения E _c обратно в приведенные выше уравнения FOM. В этом случае результаты покажут, что AlN и связанные с ним полупроводники UWBG приведут к значительным улучшениям в FOM, давая ученым и разработчикам надежду на то, что UWBG дает отличные перспективы для приложений преобразования энергии с высокой плотностью ( Таблица 2 ). Двухконтактные устройства, в том числе диоды PiN, барьер Шоттки (SBD), переходной барьер Шоттки (JBS) и объединенные диоды PiN / Шоттки (MPS), проходят оценку в попытке разработать жизнеспособные компоненты.

Таблица 2: Значения показателей качества (FOM) (Источник: Sandia National Labs, Ultrawide Bandgap Power Electronics, SAND2017-13122PE).

Выгоды

Материалы UWBG также обладают преимуществами по сравнению с материалами WBG при высоких напряжениях в средних частотных диапазонах (от 1 кГц до 1 МГц). Это преимущество не так благоприятно на низких и высоких частотах из-за других эффектов, влияющих на производительность.

UWBG предлагает преимущества перед материалами WBG в том, что напряжение пробоя увеличивается с увеличением ширины запрещенной зоны. Полупроводниковые приборы UWBG, выращенные с использованием более толстых дрейфовых областей, показывают более высокое напряжение пробоя. Более высокие составы AL в устройствах AlGaN обеспечивают более высокие пробивные напряжения. Однако есть недостаток. Эти более высокие уровни AL также приводят к более высокой подвижности электронов. Аналогичная проблема возникает с теплопроводностью. Увеличение критического электрического поля (E _c ) может потенциально увеличить значение пробоя напряжения (V _B ). Теоретически возможно создание компонентов из AlN с пробивным напряжением 1 x 10 ⁵ .

UWBG могут также предложить преимущества для радиочастотных (RF) устройств. Al-богатый AlGaN дает лучший показатель качества Джонсона (J-FOM), чем GaN, из-за более высоких критических электрических полей (E _c ). Это сильное масштабирование критического электрического поля с шириной запрещенной зоны обеспечивает улучшенные FOM, которые предлагают значительный потенциал для выхода за пределы нынешних границ силовой электроники.

Текущие исследования

Необходимы дальнейшие исследования, которые продолжаются. Одна из областей, которая изучается дальше, включает фундаментальные исследования материалов. Исследователи изучают, как эффективно выращивать объемные и эпитаксиальные сверхширокополосные полупроводники. Проводятся исследования для определения наилучшего способа уменьшения скрытых дефектов при оптимизации процессов легирования и определения характеристик материалов. В частности, легирование p-типа с увеличением содержания Al создает проблему.

Кроме того, термическая активация отверстий невозможна для сплавов с высоким содержанием алюминия. В физике эксперименты постоянно связаны с наилучшим способом эффективной поддержки электронного транспорта в различных условиях электронного поля. Оптические свойства и электрический пробой ставят перед физиками захватывающие задачи, которые нужно попытаться обуздать и сделать шаг вперед. Архитектура устройства, упаковка, изготовление и обработка требуют работы для вывода продуктов на рынок. Правильная заделка кромок имеет решающее значение для предотвращения преждевременного выхода из строя, поэтому оцениваются различные схемы заделки кромок. Сбор информации о приложениях, в которых полупроводники UWBG могут оказаться полезными, продолжается.

Заключение

Полупроводники UWBG представляют собой следующее поколение сверхвысоких характеристик для электроники большой мощности. Узнавая об их потенциальных преимуществах и применении в электронном дизайне в будущем, можно быть уверенным, что инновации будут и дальше стимулировать новые достижения, которые помогут дизайнерам реализовать и достичь прорывов, выходящих за рамки нынешних ограничений. Поскольку ученые и конструкторы разрабатывают усовершенствования процессов, чтобы в конечном итоге извлечь выгоду из превосходных свойств полупроводников UWBG, я с нетерпением жду возможности включить их в свой следующий проект.

Если однажды вы увидите красный Ferrari SF90 Stradale, проносящийся мимо вас по шоссе, помахайте и снимите шляпу перед командой инженеров Ferrari за их перспективные инновации и рьяное стремление к сверхвысокой производительности.

Как специалист по технологиям, г-н Голата отвечает за стратегическое лидерство, тактическое исполнение, а также за общую линейку продуктов и направление маркетинга полупроводникового освещения и других продуктов с передовыми технологиями. До прихода в Mouser Electronics он занимал различные должности по маркетингу и продажам в различных высокотехнологичных компаниях. Г-н Голата имеет BSEET (DeVry) и MBA (Pepperdine).