禁带半导体开关的综合考试

文摘

改善隙半导体的材料特性允许使用高温、高压,快速切换率在电力设备。创建新的硅功率变流器设备的另一个理由是,先前的模型表现不佳。新型电力电子转换器的实现意味着高能源效率但更逻辑的使用电能。这时,二氧化钛和氮化镓是最未来的半导体材料,因为他们的伟大的特性,建立了技术和足够的原料供应组件。本研究重点是提供深入研究最新发展制造业si c -和大功率电子元器件和展示新开发产品的整个范围的一代。

1。介绍

使用电子开关设备是最有效的方式来处理电能。今天,超过40%的全球能源用于生成、存储、和分配电能,使电力电子过程的一个重要部分。在电力电子转换器,功率半导体器件的损失占很大比例的能量损失。Si的闭锁电压能力以及工作温度和开关频率已被证明是有限的(1- - - - - -5]。到目前为止,如果igbt的最大商业击穿电压是6.5 kV,和设备必须运行在一个限制开关温度为200°C。

当前使用的电源转换器必须应对某些不可避免的物理限制,包括昂贵的冷却系统和昂贵的被动元件。结果,我们可能会预见到年轻一代的电力转换器使用宽禁带半导体。提高功率转换的性能将使更好的能源利用率和改善电力转换器的规模和耐久性(6- - - - - -10]。

根据研究,碳化硅(如果)或氮化镓(Ga-N)被认为是最有前途的半导体材料的候选人,因为他们有良好的理论品质,有利可图的业务可用性的起始原料,和成熟的工艺流程。世行集团半导体的前景作为Si(图代替1)强调一些重要的材料特性(11- - - - - -14]。

因此,世行集团半导体材料的工艺是更高的感兴趣的设备制造商,这使得这些材料对大功率电子的吸引力。Ga-N的潜在的性能优势是减少高频和高压要求(15- - - - - -18),以及有限的优质散装基质为垂直设备,这意味着如果有更大的几率获得高压设备销售。

这是一个新的发展电力电子;虽然许多仍需要改进,这是一个突破。福利,如降低制造成本,维护成本低,等等,只有部分意识到由于不同材料的品质、技术限制,实现设备的设计,和设备可靠性问题(19- - - - - -23]。此外,将会有重大的研究工作发展的建模和电热特性这些电力设备的技术,以及最佳方案性能升高,控制器和处理器。

本文概述当前和预期未来的进步的si c——或者Ga-N-based电化学电容器以及当前改进(24- - - - - -29日]。

2。电力设备

如果等价物相比,增加了10闭锁电压是可实现的,因为高介电si c的关键领域。si c的主要好处是更大的热导率是它可以在更高的功率密度评级和冷却系统使用更少的空间,如图2和3(30.,31日]。

在图4,为了减少DMOSFET反演通道阻力的发展4 h-si-c DMOSFETs被推迟。一位才华横溢的MOSFET集成和MOS界面研究工作已经在过去的几年里。最令人印象深刻的突破之一,如果金属氧化物半导体领域的消费电子产品是意识到通过降低电荷载体密度(说)和提高表面形态,导致增加金属氧化物半导体通道的性能32]。

(一)

(b)

igbt最近流行,闭锁电压能力超过10 kV记录(33]。一个期望是,如果电源开关将提高约20 - 30千伏电压能力在不久的将来(34- - - - - -36]。在功率场效应管的发展,取得重要突破的质量和大电路流动场效电晶体。最好的结果n沟道IGBT结构外延层生长过程中还需要进步。克里语发表了特高压输电的细节4 h-si-c晶体闸流管(37- - - - - -39]。4 h可控硅开关IGBT芯片尺寸的6.7毫米和0.16厘米的环境影响²有0°C微分上指定一个24 mΩ厘米吗²只有一个门20 V的偏见。

这是一个需要过滤4.7 kV只有50的电容μ,刺激±断开时间在室温下168而是106 ns。是由碳化硅不过展览恶化在负载电流和正向电压降在向前的压力下,分层故障造成的基极发射极区域(40- - - - - -44]。

电导率操纵和正向电压降的逆热阻也有利于Si-C-GTO结构。Si-CGT(硅基门关断晶闸管)(45- - - - - -48有横截面见图5。

3所示。Ga-N电力设备

世行集团,巨大的临界磁场电流、高电子迁移率和良好的导热系数使高压Ga-N优秀,高频、高温应用。Ga-N-based设备目前销售在光子学领域,而硅在电力应用的早期阶段。因此,Ga-N外延层大多是商业以外的基质上高质量的独立Ga-N基质。获得一流的,单个水晶Ga-N电影对能量转化至关重要,因此良好的世界范围的外延关系是必要的。与其他基质相比,Ga-N外延层生产硅基板提供了一个低成本的技术,以及提供高强度树脂增长到200毫米(49,50]。

由于缺乏相变Ga-N基质,大多数报道Ga-N半导体功率二极管侧或quasi-vertical设备。9.7 kV的击穿电压是在蓝宝石基板上观察到的51- - - - - -53]即使正向电压损失仍然是重要的。蓝宝石substrate-mounted Ga-N整流器获得很多的利益,因为他们的低成本。最近,600 V Ga-N氧化锌二极管有望被引入市场,如果肖特基整流器。此外,专业Ga-N真核起始现在将易达到的市场在600 v - 1.2 kV输出电压。然而,另一方面,Ga-N-based电压直流-直流转换器在600 v - 3.3 kV的范围也被研究,但是提高材料强度的插入p型Ga-N仍然是必需的。

AlGa-N / Ga-N异质结构包括一个二维电子气(2度),因为重要的乐队边缘不连续Ga-N和AlGa-N也因为存在两极分化的力量,提供大量2度浓度与晶体管的价值观(1200 - 2000 cm2 / Vs)。Ga-N HMT-S(图6)通常在本质上是在半导体自非门偏见需要删除2度。重大权衡最近被击穿电压和导通电阻与这些设备之间实现(54- - - - - -58]。

以来取得了显著进步Ga-N-based HEMT开关出现(45]。例如,HEMT微波输出功率输出钻石和如果增加了从1996年的1.1度最近40 W /毫米。此外,Ga-N HMT-S接近10 kV, Ga-N-based光伏电池板已经证明。最初的HEMT结构的电可能会提高性能通过减少介电常数崩溃和增加gate-to-drain击穿电压通过调整表面形态陷阱密度(47]。三种方法所示:表面支付n-Ga-N-cap制造、水下闸门与专业板安排,通过氮化硅和氧化铁表面状态和其他绝缘层(59]。

具体来说,2.2 kV HEMT结构产生了利用一种新型硅衬底硅去除技术最近被描述(60]。相比之下,结构硅生产批量有闭锁电压700 V的能力。此外,Ga-N-based kilowatt-level HEMT电源开关,电源转换生产半绝缘性如果基质,其中包括field-plated盖茨[61年]。

Ga-N HMT-S本质上是正常关闭设备,使其具有挑战性的使用显然在电力系统控制。根据这个,相当多的研究在发展中Ga-N HEMT器件通过许多不同的方法。recessed-gate结构(图7)所示(62年]这样AlGa-N层门下面区域太薄创建一个2度,产生良好的阈值电压。一个解决方案创建常规Ga-N HEMT是使用乙醚等离子治疗门地区(63年而不是减少AlGa-N厚度。氟离子的掺入AlGa-N障碍导致阈值电压变化的增加,这可能是由低温postgate退火消除。AlGa-N / Ga-N HMT-S获得高性能时加上门休会和fluorine-based表面处理。pn连接门的选择性发展(58,64年)允许稀释低于(参见图2度的障碍8)。

Ga-N-HMT-S通常可用与击穿电压在20 - 600 V的范围。击穿电压Ga-N-HMT-S通常在20 600 V范围内。EPC,例如,提供600 V 170氮化mΩHMT-S与输出阻抗从40 V / 33 200 V / 12,而MicroGa-N已经600 V 170 mΩGa-N HMT-S应用电压和200 kΩ输出阻抗。

设备,也叫捏造HMT-S,蓝宝石衬底层之上,他们测量了on-resistances和绝缘电压都是高于2 kV估计on-resistances达到24-22Ω·mm在两个方向上。自从引入改进Ga-N HEMT过程技术,也适当的说Ga-N二极管的引入,可以屏蔽的HEMT门电压峰值,允许Ga-N二极管的组合。此外,高压电力设备也正在开发用于单片集成电路和用于外围结构,包括传感/保护/控制功能。

因为正常的操作和广泛的传导带抵消Ga-N横向场效应管,他们不太容易受到热静电作用等可靠性问题,尤其是表面状态有关的问题和现在的崩溃。使氮化整合横向场效电晶体通道流动的数量170 cm2 / Vs和阻断电压2.5 kV的能力,高质量的二氧化硅/ Ga-N接口(63年使用了)。然而,稀有金属的存在及其硅层厚度和散射问题造成影响。异质结构包括AlGa-N / Ga-N可能引入RESURF面积类似Ga-N mosfet为了克服这种(见图9)。该混合MOS-HEMT [64年)结合的优势MOS势垒高度或2度Ga-N功率切换。

4所示。结论

本文概述了当前电力设备的进步,尤其是世行集团半导体材料,由微型射频驱动电机。可能未来的更高效的电力转换器可能意识到使用世行集团的特点,即使在有限的应用程序Si-based系统,包括增加和更大的操作。Wafer-based双相(WB)半导体,比如如果Ga-N,目前最合适的世行集团纳米材料为新一代电力设备的优质晶圆和现成的技术过程。

同时,商用如果作为和JBS二极管硅二极管强劲竞争对手。在图10,如果jfet或mosfet会认为与Si igbt通过领域的崩溃值5 kV,而如果igbt将此后与Si c jfet和mosfet超出5 kV的击穿电压。jfet将成为第一个工业如果mosfet开关,因为如果不能更好地处理gate-contact接口。如果JFET和低压硅mosfet在系列通常JFET都建立了混合级联拓扑。相反,jfet的门关闭还有大电阻渠道需要进一步提高。在过去的几年里,1.2 kV si c场效电晶体已经商业化。改善如果MOSFET应该导致改善如果IGBT,这可能为与分手IGBT电压超过10 kV。

(一)

(b)

大多数Ga-N电力设备生产使用的外延层Ga-N等基质硅、蓝宝石、碳化硅。如此大规模的Ga-N二极管已经成功了,预计很快就会投入一般商业用途。最后一个替代正在探索有限,增加Ga-N电力开关混合MOS-HEMT架构。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

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