Cтроительные блоки для силовых переключателей на нитриде галлия

Американский физический институт

Группа инженеров из Корнельского университета, университета Нотр-Дам и компании IQE, производящей полупроводниковые приборы, разработала силовые диоды на основе нитрида галлия (GaN), которые в будущем можно использовать в качестве основных компонентов в силовых коммутаторах. Область применения таких переключателей обширна — практически в любых приборах электронной промышленности и инфраструктурах для распределения электроэнергии.

Силовые электронные приборы являются важной составляющей энергетической инфраструктуры — на их основе работает вся электроника, с помощью которой преобразуется электроэнергия. Характеристики полупроводниковых приборов приближаются к своим пределам в электронике, поэтому необходимы материалы, подобные GaN, в качестве их потенциальной замены, что сделает кремниевые переключатели ненужными.

Однако материал GaN также отличается наличием дефектов и проблем с надежностью. Поэтому разработчики сосредоточили свое внимание на приборах на основе GaN с рекордно низкой концентрацией дефектов для того, чтобы оценить возможность достижения предельно совершенных характеристик у приборов для силовой электроники. Результаты работы опубликованы в журнале Applied Physics Letters.

Цель исследователей — для замены устаревших и громоздких генераторов и неэффективных технологий разработать недорогие, надежные, высокоэффективные коммутаторы для регулировки потока электроэнергии от того места, где она генерируется, до тех мест, где она потребляется различными электрическими устройствами.

Группа ученых изучила полупроводниковые р-n-переходы, изготовленные посредством соединения полупроводниковых материалов типа p (свободные дырки) и типа n (свободные электроны), которые применяются непосредственно в солнечных элементах, светодиодах (LED), диодах в электрических схемах и в многочисленных вариациях в более сложных приборах, подобных силовым транзисторам. Специалисты использовали высоковольтные диоды с p-n-переходом для исследования свойств GaN как рабочего материала.

Для отражения того, насколько вольтамперная характеристика прибора отклоняется от идеальной в полупроводниковых системах, в которых отсутствуют дефекты, исследователи использовали «коэффициент идеальности диода».

Дефекты существуют во всех материалах, но в разных количествах. Одним из параметров, который ученые использовали для эффективного описания уровня дефектов в материале, было время рекомбинации Шокли — Рида — Холла (SRH).

SRH-время рекомбинации является усредненным периодом, в течение которого инжектированные электроны и дырки продолжают движение до того момента, как происходит их рекомбинация на дефектах. Чем ниже уровень дефектов, тем более продолжительным является SRH-время рекомбинации. Интересен тот факт, что в GaN большая величина SRH-времени рекомбинации приводит к более интенсивному излучению света на выходе диода.

Полученные результаты стали важным шагом на пути к пониманию внутренних свойств и реального потенциала GaN.

По словам Зонгенг Ху (Zongyang Hu), члена исследовательской группы професора Грейс Уили Ксинг (Grace Huili Xing), работающей в Школе электротехники компьютерной техники в Корнельском университете, достижение таких результатов возможно только в приборах со структурами из высококачественного GaN (они получены усилиями инженеров из IQE), изготовленными на объемных подложках из высококачественного GaN c использованием предельно точно отработанной технологии (эту часть работы возглавил д-р Казуки Номото из Корнельского университета).

Большим сюрпризом для исследователей оказалась неожиданно низкая величина дифференциального сопротивления GaN-диода. По словам ученых, это похоже на то, что тело диода является полностью прозрачным для токового потока, без сопротивления. Ученые надеются, что это обусловлено высоким уровнем инжекции неосновных носителей и большим временем их жизни, и намерены изучить в будущем этот эффект.

Работа выполняется в рамках программы реализации проектов «Переключатели» (SWITCHES) министерства энергетики США. Выполняя один из таких проектов, ученые в Корнелле вместе со своими промышленными партнерами IQE, Qorvo и UTRC сформировали план совместной работы, в ходе которой должны создать структуру и конструкцию трех выходных силовых транзисторов для использования их в электрических схемах и оборудовании.