Научная статья на тему 'Силовые коммутационные транзисторы на основе нитрида галлия для высокоэффективных вторичных источников электропитания'

Силовые коммутационные транзисторы на основе нитрида галлия для высокоэффективных вторичных источников электропитания Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
377
32
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
GAN-ТРАНЗИСТОРЫ / GAN TRANSISTORS / ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ / HETEROSTRUCTURES / ВТОРИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ / SECONDARY POWER SOURCES

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Ерофеев Евгений Викторович, Кагадей Валерий Алексеевич, Казимиров Артем Игоревич, Федин Иван Владимирович

Представлены результаты разработки силовых коммутационных транзисторов на основе нитрида галлия с целью создания высокоэффективных вторичных источников электропитания.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Ерофеев Евгений Викторович, Кагадей Валерий Алексеевич, Казимиров Артем Игоревич, Федин Иван Владимирович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Power switching transistors based on gallium nitride for highly efficient secondary power sources

Today, many high-power transistor makers are switching to gallium nitride (GaN). The authors of this paper announce their results in development of power switching transistors based on gallium nitride purposing creation of a highly efficient secondary power sources

Текст научной работы на тему «Силовые коммутационные транзисторы на основе нитрида галлия для высокоэффективных вторичных источников электропитания»



УДК 621.38.049.77

Силовые коммутационные транзисторы на основе нитрида галлия для высокоэффективных вторичных источников электропитания

Е. В. Ерофеев,

научно-производственная фирма «Микран»,

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники В. А. Кагадей,

научно-производственная фирма «Микран»,

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, доктор физико-математических наук

А. И. Казимиров,

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники И. В. Федин,

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

Представлены результаты разработки силовых коммутационных транзисторов на основе нитрида галлия с целью создания высокоэффективных вторичных источников электропитания.

Ключевые слова: GaN-транзисторы, гетероструктуры, вторичные источники электропитания.

Разработка приборов на основе нитрида галлия ведётся с 80 х годов. Первыми приборами на нитриде галлия стали светодиоды, которые за последние 20 лет нашли широкое применение. Затем на передний план вышли A1GaN/GaN-гетерострук-турные полевые транзисторы, или транзисторы с высокой подвижностью электронов (НЕМТ), отличающиеся высокой мощностью и рабочей частотой. Сегодня при растущих требованиях к снижению энергопотребления и уменьшению габаритов электронного оборудования GaN-транзистор - один из самых перспективных приборов, который способен заменить мощные кремниевые полевые транзисторы в компактных импульсных источниках питания, DC/DC-преобразователях, «умных сетях», электроприводах [1, 2]. По своим характеристикам силовые GaN-транзисторы значительно превосходят кремниевые, имея основные преимущества в виде уменьшения массогабаритов, повышенного КПД и улучшенных надёжностных характеристик [3]. В связи с этим исследования и разработки в данном направлении с каждым годом приобретают всё большую актуальность.

В наших экспериментах по созданию силовых GaN-транзисторов использовались эпитаксиаль-ные гетероструктуры, выращенные на подложках сапфира. Технологический маршрут изготовления транзистора включал в себя операции по выполнению меза-изоляции с помощью плазмохимического травления гетероструктуры в индуктивно-связанной плазме, формированию омических контактов

на основе композиции Т1/А1/Мо/Аи, а также затворной металлизации на основе Формирование субмикронного затвора транзистора с длиной основания 0,5 мкм выполнялось методом электронно-лучевой литографии. Внешний вид и морфология поверхности элементов транзистора исследовались методом электронной микроскопии. Параметры изготовленных транзисторов по постоянному току исследовались с помощью измерителя характеристик полупроводниковых приборов Л2-56.

Микроскопические изображения тестового GaN- транзистора с шириной затвора W = 100 мкм, а также его канальной области приведены на рис. 1.

ЯАПНКО™" 20 ип ЕНТ = 10.00 к\/ 3!дпа1 А = 1п1_еп5 Оа1. :3 Б.р 2013

ОМЕСТКИПЕ I-1 6.8 тт ^ег Мате = О^^ЕЗТ "Пте:8:56:13

Мад = 826 X___

а

ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЬ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ / wmv.etidi.ru

№ 6(60) 2014, ноябрь-декабрь

На рис. 3 представлено микроскопическое изображение периферии сильноточного GaN-транзистора с шириной затвора Ш = 120 мм.

б

Рис. 1. Микроскопические изображения тестового GaN-транзистора с шириной затвора W=100 мкм (а) и канальной области транзистора (б)

На рис. 2 представлена типовая вольт-амперная характеристика разработанного нормально-закрытого GaN-транзистора на пластине сапфира. Пороговое напряжение отпирания транзистора составило ипор = +1,4 В.

ВЕРТИКАЛЬ ДЕЛ.

ГОРИЗОНТАЛЬ 1J ДЕЛ.

НА СТУПЕНЬКУ р ИЛИ S

Рис. 2. Вольт-амперная характеристика тестового GaN-транзистора на пластине сапфира

Рис. 3. Микроскопическое изображение периферии сильноточного GaN-транзистора с шириной затвора W = 120 мм

Следует отметить, что для различных конструкций GaN-транзисторов при напряжении на затворе из = -5 В и расстоянии «сток-исток» от 3,6 до 17,6 мкм получены напряжения пробоя между стоком и истоком от 120 до 250 В. При этом значения приведённого сопротивления транзистора в открытом состоянии составляют 0,2 и 5,8 мОм-см2 соответственно.

Полученные в работе результаты измерения параметров транзисторов соответствуют показателям зарубежных аналогов, представленных в [4-7], что позволяет говорить о перспективности использования разработки при создании высокоэффективных вторичных источников электропитания.

Помимо нужд электротехники и энергетики преимущества GaN-технологии позволят в значительной мере усовершенствовать широкополосные беспроводные сети, оборудование авиационного, космического и военного применения, малогабаритные твердотельные радары.

Литература

1. Гольцова М. Мощные GaN-транзисторы. Истинно революционная технология / / Электроника: наука, технология, бизнес. - 2012. - № 4.

2. Briere М. GaN-based power device platform. The arrival of a new paradigm in conversion technology [Электронный ресурс]. Код доступа: www.powersystemdesign.com.

3. GaN-on-Silicon wafers: the enabler of GaN power electronics / / Power Devices. - 2012. - № 4. - P. 6-9.

4. Würfl J., Hilt O., Bahat Treide E., Zhytnytska R., Klein K., Kotara P., Brunner F., Knauer A., Krüger O., Weyers M., Tränkle G. Technological approaches towards high voltage, fast switching GaN power transistors / / ECS Trans. 2013. Vol. 52. № 1. Pp. 979-989.

5. Würfl J., Hilt O., Bahat Treidel E., Zhytnytska R., Kotara P., Krüger O., Brunner F., Weyers M. Breakdown and dynamic effects in GaN power switching devices / / 40th International Symposium on Compound Semiconductors (ISCS). Kobe, Japan, 19-23 May 2013.

№ 6(60) 2014, ноябрь-декабрь

redaktor@endf.ru

6. Hilt O., Bahat-Treidel E., Cho E., Singwald S., Würfl J. Impact of buffer composition on the dynamic on state resistance of high voltage AlGaN/GaN HFETs / / 24th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD). Bruges, Belgium, 2012. Vol. 14. Pp. 345-348.

7. Meneghesso G., Zanandrea A., Stocco A., Rossetto I., De Santi C., Rampazzo F., Meneghini M., Zanoni E., Bahat Treidel E., Hilt O., Ivo P., Würfl J. GaN HEMTs devices with single- and double-heterostructure for power switching applications / / IEEE Int. Reliab. Phys. Symp. (IRPS), Monterey, CA, USA, 2013. Pp. 3C1.1-3C1.7.

7. Meneghesso G., Zanandrea A., Stocco A., Rossetto I., De Santi C., Rampazzo F., Meneghini M., Zanoni E., Bahat Treidel E., Hilt O., Ivo P., Würfl J. GaN HEMTs devices with single- and double-heterostructure for power switching applications / / IEEE Int. Reliab. Phys. Symp. (IRPS), Monterey, CA, USA, 2013. Pp. 3C1.1-3C1.7.

Power switching transistors based on gallium nitride for highly efficient secondary power sources E. V. Erofeev,

Micran, LLC, Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics V. A. Kagadei,

Micran, LLC, Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics, Doctor of Science A. I. Kazimirov,

Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics I. V. Fedin,

Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics

Today, many high-power transistor makers are switching to gallium nitride (GaN). The authors of this paper announce their results in development of power switching transistors based on gallium nitride purposing creation of a highly efficient secondary power sources.

Keywords: GaN transistors, heterostructures, secondary power sources.

Э№РK)EЕЗОПАСНОСТbMЭНmОСEЕРЕ№m I www.endi.ru

№ 6(60) 2014, mMpb-gempb

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.