Любая современная система преобразования энергии — от зарядных устройств и тяговых инверторов электромобилей до блоков питания серверов искусственного интеллекта и преобразователей солнечных электростанций — построена на полупроводниковых переключателях. Эти элементы работают в импульсном режиме: они либо полностью открыты и пропускают электрический ток, либо полностью закрыты и удерживают высокое напряжение.
В этой области существует фундаментальная инженерная зависимость. Чем более высокое напряжение должен блокировать полупроводниковый прибор в выключенном состоянии, тем длиннее должна быть его внутренняя дрейфовая область — зона, на которой распределяется электрический потенциал. Однако увеличение длины этой области неизбежно повышает ее электрическое сопротивление во включенном состоянии. В результате при протекании рабочего тока значительная часть мощности теряется и превращается в тепло.
Инженеры из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) разработали способ обойти это ограничение в транзисторах и диодах на основе нитрида галлия. Результаты их работы, опубликованные в журнале Nature Electronics, описывают структуру так называемого поляризационного суперперехода. Она позволяет распределить электрическое поле внутри полупроводника равномерно и в несколько раз поднять рабочее напряжение при сохранении минимального электрического сопротивления.
Читайте также:
• Миф о «мозге ящерицы» оказался неверным: исследование 182 видов показало другую модель эволюции
• Телескоп «Джеймс Уэбб» нашёл галактику спустя 20 лет после загадочного гамма-всплеска
Физический предел кремния и потенциал нитрида галлия
Десятилетиями базовым материалом для силовой электроники оставался кремний. Чтобы снизить потери энергии при высоких напряжениях, в конце 1990-х годов для кремниевых приборов была создана концепция суперперехода. Внутри кристалла формировали чередующиеся вертикальные полосы с разным типом проводимости — p-тип (где преобладают положительные носители заряда, дырки) и n-тип (где ток переносят электроны). Когда прибор выключается, заряды этих областей взаимно компенсируют друг друга. В результате электрическое поле распределяется по объему равномерно, что позволило уменьшить толщину кристалла и сократить сопротивление во включенном состоянии.
Однако кремний достиг предела своих физических возможностей. Ширина его запрещенной зоны — базовой характеристики, определяющей, какое напряжение материал способен выдержать до наступления электрического пробоя — составляет всего 1,1 электронвольта.
Индустрия начала переход на нитрид галлия (GaN). Это широкозонный полупроводник с шириной запрещенной зоны 3,4 электронвольта. Критическая напряженность электрического поля, которую может выдержать GaN до наступления пробоя, примерно в десять раз выше, чем у кремния.
Кроме того, в слоистых структурах на основе нитрида галлия и нитрида алюминия-галлия (AlGaN) естественным образом образуется так называемый двумерный электронный газ (2DEG). Это тончайший слой высокой плотности, в котором электроны могут двигаться с огромной скоростью, практически не испытывая рассеяния на атомах кристаллической решетки. На основе этого эффекта строят транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT), обладающие очень низким внутренним сопротивлением.
Подпишитесь на нас в ВКонтакте и Telegram
Почему в нитриде галлия возникает преждевременный пробой
Несмотря на превосходные характеристики материала, планарные (горизонтальные) транзисторы на основе нитрида галлия сталкиваются с серьезным физическим препятствием — неравномерным распределением электрического поля в закрытом состоянии.
В стандартном транзисторе ток течет горизонтально: от истока к стоку через проводящий канал двумерного электронного газа. Управляет этим током металлический затвор.
Когда на затвор подается запирающее напряжение, происходят следующие процессы:
- Электрический потенциал затвора выталкивает свободные электроны из проводящего канала, разрывая цепь.
- В дрейфовой области остаются неподвижные положительные заряды, связанные с ионизированными атомами и состояниями на границах слоев.
- Поскольку эти заряды больше не компенсируются свободными электронами, возникает сильный пространственный градиент электрического поля.
- Силовые линии электрического поля концентрируются на самом краю металлического управляющего электрода.
В этой точке напряженность поля резко возрастает. Она достигает критического порога пробоя задолго до того, как остальная длина дрейфовой зоны примет на себя напряжение. Прибор выходит из строя при значениях напряжения, которые составляют лишь малую часть от теоретического предела нитрида галлия.
Чтобы сгладить этот пик, инженеры традиционно используют металлические электроды специальной формы — обкладки поля, расположенные над диэлектриком. Они помогают перераспределить поле, но не устраняют фундаментальный дисбаланс зарядов. Кроме того, такие обкладки создают паразитные емкости, которые замедляют скорость переключения транзистора, и требуют сложного, многостадийного производства.
Попытки создать в нитриде галлия классический суперпереход путем внедрения примесей p-типа (химического легирования магнием) также зашли в тупик. В кристаллах GaN атомы магния активируются крайне плохо: лишь около одного процента внедренных атомов создают свободные дырки при комнатной температуре. Добиться точного баланса между электронами и дырками с помощью легирования на практике оказалось невозможно.
Суть решения: поляризационный баланс без легирования
Исследователи из EPFL отказались от внедрения химических примесей и использовали внутренние фундаментальные свойства кристаллической решетки нитридов третьей группы таблицы Менделеева.
Кристаллы GaN и AlGaN не обладают центральной симметрией. Из-за смещения центров положительных и отрицательных зарядов в кристаллической ячейке они обладают сильной спонтанной поляризацией. Если к этому добавить механические напряжения, возникающие при выращивании одного слоя на другом, возникает дополнительная пьезоэлектрическая поляризация.
Авторы работы вырастили на стандартной кремниевой подложке многослойную структуру:
- нижний проводящий слой из чистого нелегированного GaN толщиной 400 нанометров;
- промежуточный барьерный слой из нелегированного AlGaN толщиной 30 нанометров;
- верхний покровный слой из чистого нелегированного GaN толщиной 300 нанометров.
Благодаря скачкам поляризации на границах раздела этих материалов в структуре одновременно возникают два проводящих слоя:
- под барьером AlGaN формируется привычный двумерный электронный газ (2DEG);
- над барьером AlGaN формируется зеркальный двумерный дырочный газ (2DHG).
Главным параметром оказалась толщина верхнего слоя GaN. Расчеты и моделирование показали: если этот слой тоньше 100 нанометров, дефекты на поверхности кристалла захватывают носители и нарушают распределение потенциала. Но когда толщину верхнего слоя увеличивают до 160-300 нанометров, влияние поверхностных дефектов сводится к нулю.
В результате концентрация подвижных дырок в верхнем слое становится практически равной концентрации подвижных электронов в нижнем слое — около 1,05 x 10¹³ и 1,03 x 10¹³ на квадратный сантиметр соответственно. Расхождение между зарядами составило менее двух процентов.
Когда такой прибор выключается, оба типа носителей — и электроны, и дырки — одновременно уходят из своих каналов. Внутри дрейфовой области не остается нескомпенсированного объемного заряда. Напряженность электрического поля перестает образовывать пики на краях контактов и распределяется равномерно по всей рабочей длине прибора.
Механизм подавления динамических потерь
Для силовых полупроводников критически важна не только статическая прочность, но и поведение при быстром переключении. Обычные GaN-транзисторы страдают от эффекта динамического роста сопротивления (также известного как коллапс тока).
Когда транзистор находится под высоким запирающим напряжением, часть электронов захватывается глубокими энергетическими уровнями — ловушками, расположенными на поверхности кристалла и в нижнем буферном слое. Когда транзистор снова открывается, эти электроны не могут освободиться мгновенно. Своим отрицательным зарядом они отталкивают носители тока в основном канале, сужая его проводящую зону. Из-за этого сопротивление прибора в динамическом режиме может временно возрастать в 10-50 раз по сравнению со статическим значением, что приводит к перегреву.
В разработанной структуре эту проблему решили с помощью двух физических механизмов:
- Естественная изоляция канала. Верхний слой чистого GaN толщиной 300 нанометров физически отодвигает рабочий электронный канал от границы с внешним диэлектриком. Поверхностные дефекты больше не могут воздействовать на электроны в основном проводящем слое.
- Омический контакт к дырочному слою. На верхний слой дырок инженеры нанесли специальный контакт с низким переходным сопротивлением (p-Ω).
Этот контакт выполняет прямую функцию при каждом цикле переключения:
- в момент выключения прибора он обеспечивает мгновенный отвод дырок, чтобы сохранить идеальный баланс зарядов в дрейфовой зоне;
- в момент включения прибора он инжектирует поток дырок обратно в структуру. Эти дырки быстро рекомбинируют с электронами, застрявшими в ловушках буферного слоя, и освобождают проводящий канал менее чем за миллионную долю секунды.
Благодаря этому динамическое сопротивление структуры при жестких циклах переключения под напряжением до 3000 вольт увеличилось менее чем на 15 процентов, тогда как контрольные образцы стандартных GaN-диодов без пассивации продемонстрировали пятидесятикратный рост сопротивления и пробой уже при напряжении 200 вольт.
Результаты испытаний и параметры приборов
На базе созданной гетероструктуры исследователи изготовили силовые диоды Шоттки и два типа транзисторов (нормально открытые и нормально закрытые). Все приборы были изготовлены на экономичных кремниевых пластинах диаметром 150 миллиметров (6 дюймов) с длиной дрейфовой зоны 25 микрометров.
Основные параметры созданных устройств:
- Диоды Шоттки: продемонстрировали напряжение пробоя более 3900 вольт при крайне низком удельном сопротивлении во включенном состоянии — 4,7 мОм·см². Напряжение прямого включения составило 0,75 вольта.
- Транзисторы нормально открытого типа (D-mode): выдержали запирающее напряжение более 3500 вольт с удельным сопротивлением 6,3 мОм·см².
- Транзисторы нормально закрытого типа (E-mode): предназначенные для безопасного применения в схемах управления питанием, показали напряжение пробоя более 3400 вольт при сопротивлении 11,1 мОм·см². Пороговое напряжение открытия составило +0,67 вольта.
В ходе тестов на надежность один и тот же диод подвергли 17 последовательным циклам измерения напряжения вплоть до 3300 вольт. Характеристики тока утечки практически полностью совпали, показав отклонение менее 20 процентов, что подтверждает отсутствие разрушения внутренних слоев.
При повышении рабочей температуры от 25 °C до 125 °C напряжение пробоя приборов не уменьшилось, а слегка увеличилось. Это указывает на лавинный механизм пробоя — физический процесс, при котором материал обратимо рассеивает энергию скачка напряжения без мгновенного термического разрушения структуры. В обычных планарных GaN-транзисторах лавинный пробой ранее практически не наблюдался.
Кроме того, приборы сохранили стабильность характеристик как при заземленной кремниевой подложке, так и при электрически изолированной («плавающей») подложке. В традиционных транзисторах изменение потенциала подложки приводит к накоплению заряда в буферных слоях и ухудшению проводимости. В структуре с поляризационным суперпереходом этот эффект полностью отсутствует.
Практическое значение для электроники высокой мощности
Создание поляризационных суперпереходов без химического легирования устраняет технологический барьер, сдерживавший развитие высоковольтных планарных приборов на нитриде галлия.
Главные технологические следствия этой работы:
- Прямое снижение стоимости производства. Приборы выращены на стандартных кремниевых пластинах. Это позволяет использовать существующие производственные линии микроэлектроники без перехода на дорогие подложки из чистого нитрида галлия или карбида кремния.
- Упрощение архитектуры транзисторов. Достижение напряжения свыше 3,4-3,9 киловольта произошло без применения металлических обкладок поля сложной геометрии. Это снижает процент производственного брака и уменьшает паразитную входную емкость ключей.
- Возможность создания монолитных интегральных схем. Устойчивость к изменению потенциала подложки позволяет размещать на одном кристалле сразу несколько высоковольтных ключей (например, верхнее и нижнее плечо полумостовой схемы) вместе со схемами управления. Ранее такие элементы приходилось разделять на отдельные корпусированные компоненты из-за взаимных паразитных наводок через кремниевую подложку.
Принцип поляризационного согласования зарядов универсален. Авторы работы отмечают, что его можно применить к многоканальным гетероструктурам, где параллельно работают несколько слоев двумерного электронного газа. Это позволит уменьшить удельное сопротивление силовых ключей еще в несколько раз, открывая путь к созданию компактных преобразователей энергии для электрического транспорта, промышленных электросетей и систем распределения питания высокой плотности.