Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника
Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника
Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника
Erfolgreiche ePaper selbst erstellen
Machen Sie aus Ihren PDF Publikationen ein blätterbares Flipbook mit unserer einzigartigen Google optimierten e-Paper Software.
Сило<strong>в</strong>ая Электроника, № 5’2010<br />
Рынок<br />
Si, GaAs, SiC, GaN —<br />
сило<strong>в</strong>ая <strong>электроника</strong>.<br />
Сра<strong>в</strong>нение, но<strong>в</strong>ые <strong>в</strong>озможности<br />
В статье изложены предпосылки для создания <strong>в</strong> России мощной инно<strong>в</strong>ационной<br />
технологической программы и инфраструктуры <strong>в</strong> области ультрасо<strong>в</strong>ременных<br />
энергосберегающих технологий на базе сило<strong>в</strong>ой электроники. Материал имеет<br />
цель <strong>в</strong> том числе при<strong>в</strong>лечь <strong>в</strong>нимание руко<strong>в</strong>одителей ГК «Роснанотех», ГК<br />
«Ростехнологии», Комитета по науке и наукоемким технологиям Государст<strong>в</strong>енной<br />
Думы РФ, инно<strong>в</strong>ационного центра «Сколко<strong>в</strong>о» и других организаций.<br />
Виктор Войто<strong>в</strong>ич, д. т. н.<br />
vvoitovitsh@gmail.com<br />
Александр Гордее<strong>в</strong><br />
Gordeev.iskragai@gmail.com<br />
Анатолий Думане<strong>в</strong>ич,<br />
к. т. н.<br />
dumanevich@mail.ru<br />
Состоя<strong>в</strong>шийся 1–3 ноября 2010 г. III Международный<br />
Форум по нанотехнологиям был организо<strong>в</strong>ан<br />
ГК «Роснанотех» на самом <strong>в</strong>ысоком<br />
уро<strong>в</strong>не. На стендах отечест<strong>в</strong>енных и зарубежных фирм<br />
царило разнообразие — от TiN-точилки ножей до оборудо<strong>в</strong>ания,<br />
на котором можно рассмотреть монослой<br />
«нобеле<strong>в</strong>ского премиата» графена. В общем, на <strong>в</strong>ыста<strong>в</strong>ке<br />
х<strong>в</strong>атало <strong>в</strong>сего, кроме инно<strong>в</strong>аций.<br />
По пальцам можно было пересчитать регионы,<br />
которые «<strong>в</strong>ъехали <strong>в</strong> тему», сформулиро<strong>в</strong>анную<br />
руко<strong>в</strong>одст<strong>в</strong>ом страны. Собст<strong>в</strong>енно, руко<strong>в</strong>одитель<br />
ГК «Роснанотех» А. Б. Чубайс и отметил их, заключи<strong>в</strong><br />
соглашения с такими регионами, как Пензенская,<br />
Томская, Но<strong>в</strong>осибирская области, Ста<strong>в</strong>ропольский<br />
край, Республики Татарстан и Мордо<strong>в</strong>ия.<br />
Го<strong>в</strong>орить о том, что на 1/6 части суши исчерпан<br />
запас «мозго<strong>в</strong>», — по меньшей мере наи<strong>в</strong>но. Ведь<br />
не просто так (по сообщениям отечест<strong>в</strong>енных СМИ)<br />
ежегодная утечка интеллектуальной собст<strong>в</strong>енности<br />
за рубеж соста<strong>в</strong>ляет громадную сумму, исчисляемую<br />
миллиардами долларо<strong>в</strong>, что (только <strong>в</strong>думайтесь!)<br />
почти эк<strong>в</strong>и<strong>в</strong>алентно объемам «Рособоронэкспорта».<br />
Причем происходит это на фоне упорных и не<strong>в</strong>ероятных<br />
усилий по поиску суперно<strong>в</strong>ых, «з<strong>в</strong>ездных»<br />
проекто<strong>в</strong> для проры<strong>в</strong>ных напра<strong>в</strong>лений, предпринимаемых<br />
Ж. И. Алферо<strong>в</strong>ым, В. Ф. Вексельбергом (ИЦ<br />
«Сколко<strong>в</strong>о»), С. В. Чемезо<strong>в</strong>ым (ГК «Ростехнологии»),<br />
А. Б. Чубайсом (ГК «Роснанотех») и др.<br />
Энергосберегающие технологии должны были<br />
стать «г<strong>в</strong>оздем программы» Форума и <strong>в</strong>ыста<strong>в</strong>ки.<br />
Но сило<strong>в</strong>ая <strong>электроника</strong>, осно<strong>в</strong>а осно<strong>в</strong> энергоэффекти<strong>в</strong>ной<br />
экономики, была отмечена <strong>в</strong> экспозициях<br />
<strong>в</strong>сего трех регионо<strong>в</strong>: Моск<strong>в</strong>ы, Санкт-Петербурга<br />
и Мордо<strong>в</strong>ии. Инно<strong>в</strong>ационными здесь стали лишь<br />
д<strong>в</strong>а проекта, что, к сло<strong>в</strong>у, чистый «мизер».<br />
Из потребляемой <strong>в</strong>о <strong>в</strong>сем мире энергии треть приходится<br />
на электроэнергию, доля России <strong>в</strong> которой —<br />
7% при численности населения <strong>в</strong> 2%. По энерго<strong>в</strong>ооруженности<br />
мы <strong>в</strong> д<strong>в</strong>а раза уступаем Китаю, <strong>в</strong> три раза —<br />
США и <strong>в</strong> 1,5–1,8 раза пре<strong>в</strong>осходим Японию. Однако<br />
наша электроэнергия «произ<strong>в</strong>одит» меньше продукта,<br />
чем, например, <strong>в</strong> Стране <strong>в</strong>осходящего солнца, доля которой<br />
<strong>в</strong> миро<strong>в</strong>ом <strong>в</strong>ало<strong>в</strong>ом продукте — 9%. Доля наших<br />
энергозатрат <strong>в</strong> себестоимости отечест<strong>в</strong>енного продукта<br />
<strong>в</strong> 5 раз <strong>в</strong>ыше, чем <strong>в</strong> Японии или США. Поэтому<br />
и поста<strong>в</strong>лена государст<strong>в</strong>енная задача снизить за 10 лет<br />
энергопотребление до 40%. Цель не такая уж скромная<br />
— к 2020 г. сэкономить 3–4 десятка тысяч мега<strong>в</strong>атт<br />
устано<strong>в</strong>ленной мощности <strong>в</strong>сей энергосистемы страны,<br />
что эк<strong>в</strong>и<strong>в</strong>алентно мощности <strong>в</strong>сех АЭС России, <strong>в</strong>месте<br />
<strong>в</strong>зятых. Задача эта <strong>в</strong>полне разрешимая, но только с помощью<br />
<strong>в</strong>ысоких технологий, и <strong>в</strong> данном случае — через<br />
энергоэффекти<strong>в</strong>ную преобразо<strong>в</strong>ательную технику,<br />
осно<strong>в</strong>ой которой я<strong>в</strong>ляется электронная компонентная<br />
база (ЭКБ) сило<strong>в</strong>ой электроники на осно<strong>в</strong>е широкозонных<br />
полупро<strong>в</strong>однико<strong>в</strong>.<br />
При предельной емкости отечест<strong>в</strong>енного рынка<br />
ЭКБ сило<strong>в</strong>ой электроники порядка $5 млрд сегодня<br />
используется ~$0,3 млрд, <strong>в</strong> осно<strong>в</strong>ном импортной<br />
продукции, т. е. <strong>в</strong>сего 6%.<br />
Прирост <strong>в</strong> 2010 г. ЭКБ сило<strong>в</strong>ой электроники по отношению<br />
к тяжелому 2009 г. (при среднегодо<strong>в</strong>ых<br />
темпах за десятилетие 10–12%) соста<strong>в</strong>ит 32%. Но как<br />
мы относимся к кило<strong>в</strong>атт-часу, фундаментом которого<br />
<strong>в</strong> России я<strong>в</strong>ляются угле<strong>в</strong>одороды (ТЭЦ)? С со<strong>в</strong>етских<br />
<strong>в</strong>ремен мы при<strong>в</strong>ыкли думать — на наш <strong>в</strong>ек<br />
запасо<strong>в</strong> х<strong>в</strong>атит. Но что дальше? 1% на миро<strong>в</strong>ом рынке<br />
ЭКБ сило<strong>в</strong>ой электроники при произ<strong>в</strong>одст<strong>в</strong>е от 7%<br />
миро<strong>в</strong>ого объема электроэнергии — само по себе это<br />
почти самоубийст<strong>в</strong>о. Сколько же десятко<strong>в</strong> тысяч мега<strong>в</strong>атт<br />
уходит у нас «<strong>в</strong> землю»?<br />
Материалы и приборы<br />
сило<strong>в</strong>ой электроники<br />
Осно<strong>в</strong>ные полупро<strong>в</strong>однико<strong>в</strong>ые материалы для<br />
сило<strong>в</strong>ой электроники — Si, GaAs, SiC, GaN, к концу<br />
<strong>в</strong>торого десятилетия этого <strong>в</strong>ека к ним присоединятся<br />
алмазы. Принято делить исходные полупро<strong>в</strong>однико<strong>в</strong>ые<br />
материалы на группы: Si и GaAs; SiC и GaN.<br />
Отличительным признаком я<strong>в</strong>ляется ширина запрещенной<br />
энергетической зоны, т. е. разница <strong>в</strong> энергиях<br />
частицы-носителя заряда, когда она находится<br />
<strong>в</strong> с<strong>в</strong>язанном энергетическом состоянии (<strong>в</strong>алентная<br />
зона) и <strong>в</strong> с<strong>в</strong>ободном состоянии — как соста<strong>в</strong>ляющая<br />
токод<strong>в</strong>ижения (про<strong>в</strong>одимости) <strong>в</strong> кристаллической<br />
4 www.power-e.ru
Сило<strong>в</strong>ая Электроника, № 5’2010<br />
Рынок<br />
Таблица 1. Сра<strong>в</strong>нительные характеристики параметро<strong>в</strong> ультрабыстрых диодо<strong>в</strong> на GaAs, SiC и GaN<br />
Параметр, характеристики GaAs (p-i-n) 4H-SiC GaN<br />
Предельная рабочая температура p-n-перехода T J , °С +260…+300 +175…+200* +200*<br />
Под<strong>в</strong>ижность электроно<strong>в</strong> μ n , см 2 /В·с ** 9200–11 000** 900 1000<br />
Отсечка прямого напряжения p-n-перехода, U Fo , В 1,05*** 2,8 2,9<br />
Относительная диэлектрическая проницаемость, ε 12,9 10 12,2<br />
Ширина ОПЗ W p-n , мкм (при U = 200 В) от 40 мкм 1,33–2,0 1,21–1,5<br />
Относительная емкость p-n-перехода С 1,0 >30 >30<br />
Предельная частота переключения f T , МГц (для 600-В приборо<strong>в</strong>) 2,0–5,0 0,5–1,0 0,5–1,0<br />
Достигнутый размер чипа UFRED, мм 2 150 20 9 (прогноз)<br />
Достигнутый ток на чип UFRED (1200 В) 225 80 30 (прогноз)<br />
Относительная цена одного ампера 600-В UFRED<br />
(p-i-n-диод/диод Шоттки) (чип 1200 А/1700 В), долл.<br />
1,0 4,0 10,0 (прогноз)<br />
Примечание: * — по спра<strong>в</strong>очным данным компаний: Infineon (Германия); Центр систем мощной электроники (Сenter for Power<br />
Electronic Systems, CPES) Политехнического уни<strong>в</strong>ерситета штата Вирджиния (США); СREE (США); SemiSouth Laboratories Inc. (США);<br />
International Rectifier (США); Microsemi (США); TranSiC (Ш<strong>в</strong>еция); Powerex (США). ** — по данным специалисто<strong>в</strong> наноцентра МИФИ (μ n 2D ).<br />
*** — <strong>в</strong> гетероструктурном исполнении до 0,8 В.<br />
решетке полупро<strong>в</strong>одника. Чем <strong>в</strong>ыше концентрация<br />
с<strong>в</strong>ободных носителей, тем <strong>в</strong>ыше<br />
про<strong>в</strong>одимость.<br />
Во <strong>в</strong>сех со<strong>в</strong>ременных зарубежных и отечест<strong>в</strong>енных<br />
публикациях по ЭКБ сило<strong>в</strong>ой электроники<br />
предпочтение отдается SiC и GaN как<br />
материалам, значительно пре<strong>в</strong>осходящим<br />
по с<strong>в</strong>оим физическим параметрам Si и GaAs.<br />
На пер<strong>в</strong>ый <strong>в</strong>згляд, это логично, а именно:<br />
• напряженность электрического поля у SiC<br />
и GaN (электрическая прочность) на порядок<br />
<strong>в</strong>ыше, чем у Si или GaAs;<br />
• удельное сопроти<strong>в</strong>ление приборо<strong>в</strong> <strong>в</strong> открытом<br />
состоянии на порядок меньше;<br />
• радиационная стойкость очень <strong>в</strong>ысокая;<br />
• теплопро<strong>в</strong>одность, особенно у SiC, исключительно<br />
<strong>в</strong>ысокая;<br />
• обратные токи — почти нуле<strong>в</strong>ые (ширина<br />
запрещенной зоны);<br />
• накопленные заряды — с<strong>в</strong>ерхмалые;<br />
• быстродейст<strong>в</strong>ие…<br />
Стоп, <strong>в</strong>от здесь <strong>в</strong>се и начинается. Вот здесь —<br />
«приехали». Впрочем, об этом мы пого<strong>в</strong>орим<br />
позже.<br />
www.power-e.ru<br />
Таблица 2. Типы и подклассы полупро<strong>в</strong>однико<strong>в</strong>ых приборо<strong>в</strong>, которые будут <strong>в</strong>остребо<strong>в</strong>аны<br />
на миро<strong>в</strong>ом рынке к 2020 г.<br />
Прибор Si GaAs SiC GaN<br />
Диод с барьером Шоттки + + + +<br />
Диффузионные UFRED (p-i-n) + + + +<br />
MOSFET + –* + +<br />
IGBT + – + +<br />
JFET + + + +<br />
Динисторы, упра<strong>в</strong>ляемые тиристоры, фототиристоры + + + +<br />
MCT/ETO + + + +<br />
Гипербыстрые диоды (Hyperfast FRED) – + – +<br />
BJT + + + +<br />
С<strong>в</strong>ерх<strong>в</strong>ысоко<strong>в</strong>ольтные BJT + – + +<br />
HEMT (<strong>в</strong>ысоко<strong>в</strong>ольтные >200 В) – + – +<br />
IGCT (с<strong>в</strong>ерхмощные) + – + –<br />
С<strong>в</strong>ерх<strong>в</strong>ысоко<strong>в</strong>ольтные мощные СВЧ-транзисторы (>500 В, >1,0 ГГц) – + – +<br />
BHT – + – +<br />
H-тиристоры, <strong>в</strong> т. ч. GTO – + – –<br />
H-CИТ-тиристоры – + – –<br />
H-фототиристоры – + – –<br />
Мощные драй<strong>в</strong>еры и контроллеры для ВЧ-переключения + + – +<br />
Примечание: * — <strong>в</strong>ероятно, <strong>в</strong>се-таки у компании Freescale (CША) поя<strong>в</strong>ится технология МОП-зат<strong>в</strong>ора на GaAs.<br />
Еще одну особенность широкозонных полупро<strong>в</strong>однико<strong>в</strong>ых<br />
материало<strong>в</strong> — предельную<br />
рабочую температуру p-n-перехода, пригодную<br />
для эксплуатации, — некоторые а<strong>в</strong>торы<br />
трактуют по-с<strong>в</strong>оему, указы<strong>в</strong>ая, что она соста<strong>в</strong>ляет<br />
+500 °С. Но это далеко не <strong>в</strong>сегда так.<br />
В середине 80-х гг. ФТИ им. А. Ф. Иоффе<br />
РАН под руко<strong>в</strong>одст<strong>в</strong>ом Жореса Алферо<strong>в</strong>а<br />
как-то незаметно подарил миру конструкцию<br />
p-i-n-UFRED-диода на GaAs. Вот она и стала<br />
базой для дальнейших физических и технологических<br />
<strong>в</strong>ы<strong>в</strong>одо<strong>в</strong>, изложенных частично<br />
<strong>в</strong> данной публикации.<br />
Нет смысла при<strong>в</strong>одить здесь теоретические<br />
<strong>в</strong>ыкладки, <strong>в</strong>се подробно описано <strong>в</strong> трудах<br />
ФТИ, <strong>в</strong> научных отчетах «С<strong>в</strong>етланы» со<strong>в</strong>етских<br />
<strong>в</strong>ремен, <strong>в</strong> трудах, технологии и НИОКР ТЭЗ<br />
им. М. И. Калинина и ВЭИ им. В. И. Ленина.<br />
Все также подробно описано а<strong>в</strong>торами <strong>в</strong> предыдущих<br />
статьях, опублико<strong>в</strong>анных <strong>в</strong> данном<br />
журнале. Для анализа предлагаем д<strong>в</strong>е таблицы.<br />
Ни <strong>в</strong> одном зарубежном каталоге <strong>в</strong>ы не<br />
найдете опро<strong>в</strong>ержения при<strong>в</strong>одимых данных.<br />
Из таблицы 1 можно сделать гла<strong>в</strong>ный <strong>в</strong>ы<strong>в</strong>од:<br />
<strong>в</strong>ысоко<strong>в</strong>ольтные приборы на осно<strong>в</strong>е SiC<br />
и GaN по частотным характеристикам значительно<br />
уступают приборам на GaAs. На них<br />
сложно делать ста<strong>в</strong>ку <strong>в</strong> с<strong>в</strong>ерхэнергоплотном<br />
ВЧ-преобразо<strong>в</strong>ании, <strong>в</strong> фотогаль<strong>в</strong>анике,<br />
LED-технологиях, электромобилях, большой<br />
и малой а<strong>в</strong>иации (БПЛА), GPS, космических<br />
аппаратах и т. д.<br />
В таблице 2 показана реальная <strong>в</strong>озможность<br />
исполнения компоненто<strong>в</strong> сило<strong>в</strong>ой электроники,<br />
<strong>в</strong>остребо<strong>в</strong>анность которых на миро<strong>в</strong>ом<br />
рынке ожидается к 2020 г.<br />
В таблице 2 подчерки<strong>в</strong>ается разносторонность<br />
и уни<strong>в</strong>ерсальность p-i-n-GaAs<br />
и AlGaAs/GaAs-структур, их пре<strong>в</strong>осходст<strong>в</strong>о<br />
<strong>в</strong> скорости, надежности, стоимости над<br />
широкозонными материалами. В разделе<br />
«Сра<strong>в</strong>нительные характеристики и но<strong>в</strong>ые<br />
<strong>в</strong>озможности» более подробно рассмотрено<br />
данное заключение. Кстати, необходимо<br />
отметить ры<strong>в</strong>ок GaAs на рынке СВЧприборо<strong>в</strong>,<br />
<strong>в</strong> частности, успехи и прогресс<br />
<strong>в</strong> области HEMT-приборо<strong>в</strong>, достигших<br />
частот до 100 ГГц и <strong>в</strong>ыше (прогнозируется<br />
до 150 ГГц, HEMT на осно<strong>в</strong>е GaN и HEMT<br />
на осно<strong>в</strong>е GaAs паритетны по частотным<br />
с<strong>в</strong>ойст<strong>в</strong>ам). Рынок GaAs СВЧ-электроники<br />
оцени<strong>в</strong>ается <strong>в</strong> $3,6 млрд, но специалисты наноцентра<br />
МИФИ считают эту цифру слишком<br />
заниженной. В этом секторе рынка доминируют<br />
США и Китай, хотя Е<strong>в</strong>ропа также<br />
расширяет с<strong>в</strong>ою деятельность. Об этом<br />
с<strong>в</strong>идетельст<strong>в</strong>ует только что состоя<strong>в</strong>шееся<br />
решение об оснащении западное<strong>в</strong>ропейских<br />
истребителей но<strong>в</strong>ейшего поколения<br />
(Eurofighter) ультрасо<strong>в</strong>ременными радарными<br />
комплексами AESA (АФАР) на осно<strong>в</strong>е<br />
GaAs-модулей. Моти<strong>в</strong>ация: GaN не изучен<br />
по надежностным характеристикам, имеет<br />
паритетные характеристики по частоте,<br />
но дороже. SiC близко не рассматри<strong>в</strong>ается,<br />
его потолок — 10 ГГц, это из<strong>в</strong>естно <strong>в</strong>сем.<br />
Уместно также отметить, что 90% рынка<br />
микросхем беспро<strong>в</strong>одной телефонии (ежегодный<br />
объем произ<strong>в</strong>одст<strong>в</strong>а сото<strong>в</strong>ых телефоно<strong>в</strong><br />
соста<strong>в</strong>ляет 1,0–1,2 млрд шт.) — за приборами<br />
на осно<strong>в</strong>е GaAs. Миро<strong>в</strong>ые темпы роста GaAs<br />
ИС, СБИС и модулей достигли 18%, <strong>в</strong> Китае<br />
они пре<strong>в</strong>ышают 30%.<br />
Необходимо отметить, что сило<strong>в</strong>ые приборы<br />
на Si, GaAs, SiC создаются либо на монокристаллах,<br />
либо на базо<strong>в</strong>ых гомоэпитаксиальных<br />
слоях, т. е. <strong>в</strong> качест<strong>в</strong>е подложек используется<br />
«родной» кристалл, <strong>в</strong> то <strong>в</strong>ремя как<br />
качест<strong>в</strong>енных коммерческих монокристаллических<br />
GaN-подложек пока нет. Выращи<strong>в</strong>ание<br />
эпитаксиальных GaN-структур на монокристаллических<br />
подложках SiC и Si осложняется<br />
кристаллографическими несоот<strong>в</strong>етст<strong>в</strong>иями<br />
на границе раздела д<strong>в</strong>ух полупро<strong>в</strong>однико<strong>в</strong>,<br />
что при<strong>в</strong>одит к механическим напряженностям<br />
и <strong>в</strong>ысокой дефектности структур,<br />
следо<strong>в</strong>ательно, и к их <strong>в</strong>ысокой стоимости.<br />
В принципе эти же проблемы проя<strong>в</strong>ляются<br />
и при использо<strong>в</strong>ании технологии <strong>в</strong>ыращи<strong>в</strong>ания<br />
на полуизолирующем AlN. Поэтому<br />
практически <strong>в</strong>се технологические исполнения<br />
GaN-приборо<strong>в</strong> я<strong>в</strong>ляются горизонтальными,<br />
<strong>в</strong> то <strong>в</strong>ремя как приборы на Si, GaAs, SiC име-<br />
5
Сило<strong>в</strong>ая Электроника, № 5’2010<br />
Рынок<br />
ют <strong>в</strong>ертикальную технологическую структуру<br />
диодо<strong>в</strong>, транзисторо<strong>в</strong>, тиристоро<strong>в</strong>. В этом<br />
пока заключается их огромное технологическое<br />
и коммерческое преимущест<strong>в</strong>о над мощными<br />
GaN-приборами.<br />
Сра<strong>в</strong>нительные характеристики<br />
мощных сило<strong>в</strong>ых приборо<strong>в</strong><br />
на Si, GaAs, SiC и GaN<br />
Динамичное раз<strong>в</strong>итие рынка <strong>в</strong>торичных<br />
источнико<strong>в</strong> питания, преобразо<strong>в</strong>ательной<br />
техники для солнечной энергетики, LED,<br />
гибридных а<strong>в</strong>томобилей, электромобилей,<br />
БПЛА, <strong>в</strong>етроэнергетики, телекоммуникаций,<br />
радиолокации, на<strong>в</strong>игации и других отраслей<br />
я<strong>в</strong>ляется <strong>в</strong>ажнейшим фактором ди<strong>в</strong>ерсификации<br />
рынка ЭКБ сило<strong>в</strong>ой электроники.<br />
Перечень осно<strong>в</strong>ных типо<strong>в</strong> сило<strong>в</strong>ых полупро<strong>в</strong>однико<strong>в</strong>ых<br />
приборо<strong>в</strong> краток: диоды,<br />
транзисторы, тиристоры. В класс ультрабыстрых<br />
ключей тиристоры попали благодаря<br />
GaAs и широкозонным материалам.<br />
Ультрабыстрые, гипербыстрые<br />
<strong>в</strong>ысоко<strong>в</strong>ольтные диоды<br />
В качест<strong>в</strong>е примера для сра<strong>в</strong>нения при<strong>в</strong>едем<br />
наиболее популярные UFRED на 600 В, 8 А для<br />
корректоро<strong>в</strong> мощности (таблица 3).<br />
К примеру, на исключительно качест<strong>в</strong>енных<br />
эпитаксиальных структурах SiC с применением<br />
сложной трехслойной металлизации<br />
(Ti (100 нм)–TaSi 2 (200 нм)–Pt (300 нм))<br />
максимальная рабочая температура может<br />
достигать +500 °C, но данный контакт очень<br />
сильно за<strong>в</strong>исит от <strong>в</strong>заимной диффузии слое<strong>в</strong>.<br />
На практике для промышленного применения<br />
используют: на аноде алюминие<strong>в</strong>ую металлизацию<br />
с подслоем тугопла<strong>в</strong>кого силицида<br />
(от 3,0 мкм), на катоде — стандартную кремние<strong>в</strong>ую<br />
Ti-Ni-Ag (от 1,5 мкм) Ni-Ag. Наличие<br />
алюминие<strong>в</strong>ой металлизации на омической<br />
части барьера Шоттки удобно для а<strong>в</strong>томатизации,<br />
но <strong>в</strong>носит резкие ограничения по рабочей<br />
температуре, хотя здесь следует учиты<strong>в</strong>ать<br />
и несо<strong>в</strong>ершенст<strong>в</strong>о эпитаксиального слоя.<br />
Кроме того, SiC-диод Шоттки при температурах<br />
>+250 °C по параметру U R приближается<br />
к p-i-n-SiC-диоду (2,8–3,0 В), что при<strong>в</strong>одит<br />
к резкому у<strong>в</strong>еличению динамических<br />
потерь на <strong>в</strong>ысоких частотах. UFRED я<strong>в</strong>ляются<br />
обязательным компонентом бинарных<br />
MOSFET–UFRED либо IGBT–UFRED-ключей,<br />
где мощный драй<strong>в</strong>ер, упра<strong>в</strong>ляющий коммутацией<br />
ключа, должен «упра<strong>в</strong>ляться» с перезарядкой<br />
емкости не только MOS-зат<strong>в</strong>ора,<br />
но и <strong>в</strong>ыходной емкостью ключа <strong>в</strong> целом. Если<br />
к такому ключу «прицепить» дополнительные<br />
нанофарады антипараллельных диодо<strong>в</strong>,<br />
даже с супермалым <strong>в</strong>ременем <strong>в</strong>осстано<strong>в</strong>ления,<br />
<strong>в</strong>ысоко<strong>в</strong>ольтные ключи IPM или SMART заста<strong>в</strong>ить<br />
работать на <strong>в</strong>ысоких частотах будет<br />
проблематично. Да и диодные структуры, переходя<br />
от открытого состояния (I F ) <strong>в</strong> закрытое<br />
(I FRM ), несмотря на ультрамалые значения τ rr ,<br />
«не забудут» С Jo .<br />
Из таблицы 3 следует, что по сочетанию τ rr ,<br />
Q rr , T J , C J предпочтительными я<strong>в</strong>ляются p-i-n-<br />
GaAs диодные структуры. К ним и проя<strong>в</strong>ляют<br />
Таблица 3. Параметры 600-В ультрабыстрых диодо<strong>в</strong> на Si, GaAs, SiC, GaN<br />
Наимено<strong>в</strong>ание параметра Si (p-i-n) SiC-ДШ, (JBS) GaAs (p-i-n) GaN/Si<br />
интерес такие компании, как Infineon и CREE.<br />
Параметры SiC-диодо<strong>в</strong> Шоттки, которые они<br />
<strong>в</strong>ыпускают, указаны <strong>в</strong> таблице 3 (IDC08S60C —<br />
Infineon, C3D08060G — GREE). В качест<strong>в</strong>е прототипа<br />
кремние<strong>в</strong>ого p-i-n-диода при<strong>в</strong>еден один<br />
из лучших миро<strong>в</strong>ых UFRED — HFA08TB60<br />
(International Rectifier). Диоды p-i-n-GaAs поз<strong>в</strong>оляют<br />
реализо<strong>в</strong>ать сегодня рекордные характеристики<br />
— 1 кА, 1 кВ, 1 МГц.<br />
Нюансы но<strong>в</strong>ых перспекти<strong>в</strong>ных гиперскоростных<br />
(Hyperfast FRED) диодо<strong>в</strong> мы пока<br />
не раскры<strong>в</strong>аем, но знаем, что <strong>в</strong> середине<br />
2011 г. 600-В диоды такого класса поз<strong>в</strong>олят,<br />
наряду с GaAs-JFET, конструиро<strong>в</strong>ать мощные<br />
преобразо<strong>в</strong>атели на частоты с<strong>в</strong>ыше 5 МГц.<br />
Это может резко изменить дизайн преобразо<strong>в</strong>ателей<br />
<strong>в</strong>оенного назначения (АФАР,<br />
БПЛА, а<strong>в</strong>иакосмические применения), а также<br />
оснащение электромобилей и ситуацию <strong>в</strong> областях<br />
LED и гелеоэнергетики). Из-за очень<br />
малой дебае<strong>в</strong>ской длины экраниро<strong>в</strong>ания пространст<strong>в</strong>енного<br />
заряда сегодняшние западные<br />
конструкции <strong>в</strong>сех сило<strong>в</strong>ых <strong>в</strong>ысоко<strong>в</strong>ольтных<br />
широкозонных приборо<strong>в</strong> не соот<strong>в</strong>етст<strong>в</strong>уют<br />
такой <strong>в</strong>ысокой частотной планке. Но это<br />
не догма. Способы испра<strong>в</strong>ить положение<br />
есть, но на это нужны <strong>в</strong>ремя и деньги, надо<br />
GaAs Hyperfast<br />
FRED<br />
Обратное напряжение, U RRM , В 600 600 600 600 600<br />
Прямой ток I F (T J = +25 °C), А 8 8 8 8 8<br />
при T J = +25 °C 1,5 1,5 1,8 1,6<br />
F F Fmax<br />
при T J = +150 °C 1,3 1,9 1,9 –<br />
Заряд обратного <strong>в</strong>осстано<strong>в</strong>ления Q ss<br />
(I F = 8 А; di/dt = 200 А/мкс;<br />
U R = 200 В), нК<br />
Время обратного <strong>в</strong>осстано<strong>в</strong>ления<br />
τ rr (I F = 8 А; di/dt = 200 А/мкс;<br />
U R = 200 В), нс<br />
Емкость перехода С J , пФ<br />
при T J = +25 °C 100 21 52<br />
при T J = +150 °C 200 21 52<br />
при T J = +25 °C 40 10 22 30<br />
при T J = +150 °C 80 10 22 –<br />
при U R = 200 В 100 440 12 >500 8<br />
при U R = 10 В 14 40 8 – 6<br />
Максимальная температура перехода T J , °C +175 +200* +250 +125 +250<br />
Примечание: * — максимальная температура барьера Шоттки <strong>в</strong> SiC-диодах ограничи<strong>в</strong>ается надежностью электрического контакта,<br />
его соста<strong>в</strong>ом и качест<strong>в</strong>ом эпитаксиального 4H-SiC слоя n-типа.<br />
3–4 кВ незаменимы из-за<br />
<strong>в</strong>ысокой плотности тока, <strong>в</strong>ысокой динамической<br />
устойчи<strong>в</strong>ости (di/dt при <strong>в</strong>ысоких du/dt).<br />
При применении тугопла<strong>в</strong>ких контакто<strong>в</strong><br />
(<strong>в</strong> корпусах таблеточного безиндукти<strong>в</strong>ного<br />
типа) они будут работоспособны <strong>в</strong>плоть до<br />
T J = +300 °C. Проблема одна — как создать<br />
бездефектную структуру. Парадоксально,<br />
но на 20–70 кВ такой проблемы нет, для этих<br />
целей применяется так назы<strong>в</strong>аемая p-i-n-NPTструктура,<br />
<strong>в</strong>ыполненная <strong>в</strong> монокристалле<br />
4H-SiC, практически симметричного типа,<br />
и <strong>в</strong>озможности такой p-i-n-диодной структуры<br />
чрез<strong>в</strong>ычайно <strong>в</strong>елики.<br />
Реалии рынка до 2020 г. тако<strong>в</strong>ы, что до 85–<br />
90% диодо<strong>в</strong> подобного класса будут именно<br />
кремние<strong>в</strong>ыми. Не ожидается также, что<br />
<strong>в</strong> ближайшие годы будут с<strong>в</strong>ернуты разработки<br />
более со<strong>в</strong>ершенных кремние<strong>в</strong>ых UFRED.<br />
Таблица 4. Cра<strong>в</strong>нение параметро<strong>в</strong> GaAs-диодо<strong>в</strong> и SiC-диода Шоттки на 1700 В, 10 А<br />
Параметр<br />
SiC-диод Шоттки<br />
(2010 г.)<br />
p-i-n-GaAs<br />
(2010 г.)<br />
10<br />
5<br />
Hyperfast FRED<br />
GaAs (2012 г.)<br />
Размер чипа, мм 2 9,8 9,0 10<br />
Максимальный прямой ток I F , А 10 15 10<br />
Максимальный импульсный прямой ток I FSM , A 54 150 100<br />
при T J = +150 °C 1,8 2,0 1,3<br />
Прямое напряжение U F , В<br />
при T J = +25 °C 3,5 2,2 1,5<br />
Заряд обратного <strong>в</strong>осстано<strong>в</strong>ления Q rr , нК 100 170 40<br />
Время обратного <strong>в</strong>осстано<strong>в</strong>ления, rr , нс 25 45 5<br />
при 0 В 900 22 30<br />
Емкость перехода C J , пФ<br />
при 400 В 80 18 20<br />
при 200 В 60 15 18<br />
Максимальная температура перехода T J max , °C +175 +250 +250<br />
Относительная стоимость 5 1 2<br />
6 www.power-e.ru
Сило<strong>в</strong>ая Электроника, № 5’2010<br />
Рынок<br />
Несмотря на то, что их кристаллы «перекормлены»<br />
He ++ c целью по<strong>в</strong>ышения быстродейст<strong>в</strong>ия<br />
(SML75EUZ12L, 1200 В, 75 А <strong>в</strong> ТО-264)<br />
с ущербом для U F , у International Rectifier,<br />
IXYS, TT electronics Semelab и других компаний<br />
есть огромные технологические <strong>в</strong>озможности<br />
по снижению Q ss , τ rr при +100 °C<br />
<strong>в</strong> 1,5–2 раза, при этом не обязательно гоняться<br />
за плотностью элементо<strong>в</strong> на 1 см 2 UFRED<br />
до 10 6 и <strong>в</strong>ыше, <strong>в</strong>ажно подумать о физике работы<br />
p-n-перехода. Одним сло<strong>в</strong>ом, <strong>в</strong>озможности<br />
кремния далеко не исчерпаны, и его<br />
будет сложно <strong>в</strong>ытеснить из мощного сектора<br />
IPM-модулей, электропри<strong>в</strong>одо<strong>в</strong>, мощных<br />
статических преобразо<strong>в</strong>ателей, источнико<strong>в</strong><br />
бесперебойного питания, с<strong>в</strong>арки, индукционного<br />
нагре<strong>в</strong>а, преобразо<strong>в</strong>ателей для <strong>в</strong>етроэнергетики<br />
и др.<br />
В журнале Power Electronics Technology<br />
за июнь этого года была опублико<strong>в</strong>ана статья<br />
под наз<strong>в</strong>анием «Где <strong>в</strong>ысоко<strong>в</strong>ольтные GaN<br />
приборы?». В ней описы<strong>в</strong>ались эксперименты<br />
над GaN/Si <strong>в</strong> области транзисторной тематики.<br />
О <strong>в</strong>ысоко<strong>в</strong>ольтных UFRED пока почти ничего<br />
не из<strong>в</strong>естно, несмотря на ут<strong>в</strong>ерждение, что<br />
у этой технологии (GaN на кремнии) «с<strong>в</strong>етлое<br />
будущее». Однако до 2020 г. будущее <strong>в</strong>ысоко<strong>в</strong>ольтных<br />
GaN-приборо<strong>в</strong> <strong>в</strong>ыглядит призрачным,<br />
хотя и романтичным.<br />
На наш <strong>в</strong>згляд, UFRED GaN-диоды<br />
Шоттки — это пока что «Летучий голландец».<br />
Почему? Во-пер<strong>в</strong>ых, по реальной технологии<br />
GaN/Si-диоды компании International Rectifier<br />
не я<strong>в</strong>ляются <strong>в</strong>ертикальными. Из-за «сши<strong>в</strong>ания»<br />
энергетических зон их U F пре<strong>в</strong>зойдет U F p-i-n-<br />
GaAs-диодо<strong>в</strong>, т. е. 2,9-В диоды с U F > 2,9 ÷ 3,0В,<br />
U RRM = 600 В никому не нужны. Во-<strong>в</strong>торых,<br />
со<strong>в</strong>ершенно оче<strong>в</strong>идно. что конструкция<br />
GaN/SiC-диодо<strong>в</strong> Шоттки горизонтальная.<br />
Но, исходя из топологических размеро<strong>в</strong> катода,<br />
анода, при толщине эпитаксиальной<br />
пленки GaN~6 мкм, «пробег» электрона <strong>в</strong> горизонтальной<br />
<strong>в</strong>ысокоомной эпитаксиальной<br />
структуре, по сра<strong>в</strong>нению с SiC/SiC, практически<br />
уд<strong>в</strong>аи<strong>в</strong>ается при идентичной под<strong>в</strong>ижности инжектиро<strong>в</strong>анных<br />
электроно<strong>в</strong> из барьерного слоя,<br />
а, учиты<strong>в</strong>ая за<strong>в</strong>исимость μ n = f(x) и различные<br />
пространст<strong>в</strong>енные усло<strong>в</strong>ия для инжектиро<strong>в</strong>анных<br />
электроно<strong>в</strong> <strong>в</strong> системе металл–GaN (электроны,<br />
инжектиро<strong>в</strong>анные <strong>в</strong> центральной части<br />
и крае<strong>в</strong>ой части барьера, <strong>в</strong> за<strong>в</strong>исимости от топологических<br />
размеро<strong>в</strong> и частоты коммутации могут<br />
оказаться просто <strong>в</strong> проти<strong>в</strong>офазе), данные диоды<br />
неизбежно будут иметь «х<strong>в</strong>осты». Не <strong>в</strong>полне<br />
этично при<strong>в</strong>одить здесь график из цитируемой<br />
статьи. Однако стоит отметить, что на нем указано<br />
<strong>в</strong>ремя <strong>в</strong>осстано<strong>в</strong>ления заряда SiC-диодо<strong>в</strong><br />
Шоттки τ rr , ра<strong>в</strong>ное 30 нс. Данный параметр даже<br />
у 1700-В SiC-ДШ меньше (~25 нс), а у 600-В<br />
SiC-ДШ τ rr < 15 нс (типо<strong>в</strong>ое — 10 нс) при<br />
T до +200 °С, а у горизонтальных GaN/Si-ДШ τ rr<br />
«расплы<strong>в</strong>ется» после +125 °С. Вследст<strong>в</strong>ие этого<br />
лидирующие позиции <strong>в</strong> текущем десятилетии<br />
сохранятся за GaAs и SiC-диодами.<br />
MOSFET -транзисторы<br />
Исключительную перспекти<strong>в</strong>ность MOSFETприборо<strong>в</strong><br />
можно оценить на примере крупнейшего<br />
игрока на рынке — компании International<br />
www.power-e.ru<br />
Rectifier, объем продаж которой <strong>в</strong> 2012 г. соста<strong>в</strong>ит:<br />
• по мощным MOSFET-приборам — $3,98 млрд;<br />
• по IGBT — $1,77 млрд.<br />
В настоящее <strong>в</strong>ремя International Rectifier, наряду<br />
с такими компаниями, как Efficient Power<br />
Conversion Corporation (EPC), Fuji Electric,<br />
Panasonic, NEC, Sanken, MicroGaN GmbH,<br />
Furukawa, GaN Systems и др., делают ста<strong>в</strong>ку<br />
на GaN/Si, <strong>в</strong> особенности на GaN-MOSFETприборы.<br />
IR постоянно ссылается на то,<br />
что R DSon у них на д<strong>в</strong>а порядка <strong>в</strong>ыше, чем у Si,<br />
при этом у Si электропрочность — 20 В/мкм,<br />
а у GaN — 300 В/мкм.<br />
Кремние<strong>в</strong>ые MOSFET<br />
К 2008–2009 гг. кремние<strong>в</strong>ая MOSFETтехнология<br />
достигла с<strong>в</strong>оего расц<strong>в</strong>ета.<br />
Сущест<strong>в</strong>уют с<strong>в</strong>ыше тысячи типономинало<strong>в</strong><br />
Trench, COOL, DMOS конструкций MOSFET.<br />
Trench-MOSFET — до 200 В, COOLMOSFET закры<strong>в</strong>ают<br />
диапазоны 600–900 В и DMOSFET —<br />
200–1500 В. С<strong>в</strong>ыше 1500 В <strong>в</strong>полне <strong>в</strong>озможно<br />
создание DMOSFET, но из-за <strong>в</strong>ысокого R DSon<br />
эффекти<strong>в</strong>ность их использо<strong>в</strong>ания резко<br />
падает, и на сегодня они заменены IGBTприборами.<br />
Плотность компоно<strong>в</strong>ки со<strong>в</strong>ременных<br />
MOSFET-приборо<strong>в</strong> мало уступает CБИС<br />
и достигла значений до 10 7 –10 8 элементо<strong>в</strong>/<br />
см 2 с минимальными проектными нормами<br />
до 0,5–0,8 мкм.<br />
Плотность упако<strong>в</strong>ки Trench-MOSFETтранзистора<br />
на 100 В <strong>в</strong>ыше, чем у 1200-В<br />
DMOSFET. Достигнутые значения сопроти<strong>в</strong>ления<br />
<strong>в</strong> открытом состоянии R DSon у Trench-<br />
MOSFET соста<strong>в</strong>ляют менее 1 мОм/см 2 ,<br />
у 1200-В DMOSFET — до 0,5 Ом/см 2 ,<br />
у COOLMOSFET — 0,1 Ом/см 2 (600-В).<br />
Родоначальником мощных MOSFETприборо<strong>в</strong><br />
я<strong>в</strong>ляется Россия (НИИ «Пульсар»,<br />
г. Моск<strong>в</strong>а), где около 30 лет назад была <strong>в</strong>ыпущена<br />
пер<strong>в</strong>ая серия мощных горизонтальных<br />
ДМОП-транзисторо<strong>в</strong> на 100 В и <strong>в</strong>ыше (2П904,<br />
908, 912 и др.), потрясшая Запад. Пер<strong>в</strong>ый<br />
<strong>в</strong> Е<strong>в</strong>ропе <strong>в</strong>ертикальный ДМОП-транзистор<br />
на 300 В был разработан на за<strong>в</strong>оде «Искра»<br />
(г. Ульяно<strong>в</strong>ск). Одним из миро<strong>в</strong>ых лидеро<strong>в</strong><br />
по разработке MOSFET-транзисторо<strong>в</strong> (Trench,<br />
DMOS) <strong>в</strong> настоящее <strong>в</strong>ремя я<strong>в</strong>ляется ОАО<br />
«Ангстрем» (г. Зеленоград). COOLMOS, несмотря<br />
на экзотику технологии, на примере<br />
приборо<strong>в</strong> произ<strong>в</strong>одст<strong>в</strong>а компаний Infineon<br />
и IXYS достигли исключительных результато<strong>в</strong><br />
— 800 В, 74 мОм <strong>в</strong> SOT-227 (IXKN<br />
45N80C) c потрясающими скоростями переключения<br />
при T = +125 °С (t on
Сило<strong>в</strong>ая Электроника, № 5’2010<br />
Рынок<br />
Однако проблемы, <strong>в</strong>озникающие при согласо<strong>в</strong>ании<br />
постоянных решеток Si и GaN, обозначены<br />
очень остро — рабочая температура<br />
перехода GaN-MOSFET «сползла» <strong>в</strong> сторону<br />
«пер<strong>в</strong>обытных» германие<strong>в</strong>ых приборо<strong>в</strong><br />
(T J max = +125 °С). Энерго- и термоциклиро<strong>в</strong>ание<br />
данных изделий, <strong>в</strong>ероятно, не будет удо<strong>в</strong>лет<strong>в</strong>орительным.<br />
И еще одна особенность. При <strong>в</strong>ключении<br />
SiC-MOSFET можно пода<strong>в</strong>ать +10 В на зат<strong>в</strong>ор,<br />
принудительное <strong>в</strong>ыключение опасно <strong>в</strong>следст<strong>в</strong>ие<br />
того, что обратное напряжение U gs —<br />
не более 6 В. У GaN напряжение зат<strong>в</strong>ора U gs<br />
<strong>в</strong> обе полярности ограничено 5(6) В, это го<strong>в</strong>орит<br />
о том, что толщина подзат<strong>в</strong>орного диэлектрика<br />
~30 нм. Для сра<strong>в</strong>нения: у SiC-MOSFET<br />
она 40–60 нм, у Si-MOSFET — до 80 нм<br />
(U gs достигает реальных значений до 40 В).<br />
С зат<strong>в</strong>ором у GaN-MOSFET те же проблемы,<br />
что и у SiC-MOSFET, но <strong>в</strong> более <strong>в</strong>ыраженной<br />
степени. Высокая плотность по<strong>в</strong>ерхностных<br />
состояний, снижение под<strong>в</strong>ижности электроно<strong>в</strong><br />
гистерезиса MOS-C-V-характеристики,<br />
ее сильная за<strong>в</strong>исимость от температуры,<br />
огромные механические напряжения между<br />
диэлектриком и GaN, <strong>в</strong>ысокие значения Q ss<br />
и N ss (заряда и плотности состояний) на границе<br />
раздела диэлектрик-полупро<strong>в</strong>одник,<br />
жесткие требо<strong>в</strong>ания к началу ин<strong>в</strong>ерсии<br />
<strong>в</strong> канале (минимизация порого<strong>в</strong>ого напряжения)<br />
<strong>в</strong>ходят <strong>в</strong> проти<strong>в</strong>оречие с электропрочностью<br />
MOS-зат<strong>в</strong>ора. Ток утечки зат<strong>в</strong>ора<br />
при T = +125 °С и U g = 6 В достигает<br />
значений до 25 мА на кристалле горизонтальной<br />
конструкции GaN-MOSFET размером<br />
3,5×1,6 мм 2 . Для сра<strong>в</strong>нения: у кремние<strong>в</strong>ых<br />
DMOSFET ток утечки зат<strong>в</strong>ора даже на кристаллах<br />
12,5×12,5 мм 2 меньше 200 нА, то есть<br />
<strong>в</strong> перерасчете на 1 мм 2 <strong>в</strong> 10 3 раз больше, чем<br />
у кремния, что го<strong>в</strong>орит о ярко <strong>в</strong>ыраженных<br />
проблемах технологии MOS-GaN-зат<strong>в</strong>ора.<br />
Транзистор EPC1010 фирмы EPC имеет параметры<br />
200 В, 12 А, 25 мОм. Кремние<strong>в</strong>ые MOSFET<br />
на напряжение 200 В, 25 мОм имеют максимальный<br />
ток 50–100 А, поэтому у GaN-MOSFET<br />
не раскры<strong>в</strong>ается информация по R T , а также<br />
по <strong>в</strong>ременам <strong>в</strong>ключения/<strong>в</strong>ыключения (при начальной<br />
<strong>в</strong>ходной емкости около 700 пФ).<br />
Из-за проблем с зат<strong>в</strong>ором может оказаться<br />
под <strong>в</strong>опросом и радиационная стойкость GaN-<br />
MOSFET. Технология MOSFET, естест<strong>в</strong>енно,<br />
горизонтальная. В итоге ясно, что можно ожидать<br />
резкого рыночного и технологического<br />
проры<strong>в</strong>а SiC/SiC-MOSFET.<br />
Что касается GaAs-MOSFET, отметим, что<br />
<strong>в</strong> 2006 г. Freescale удалось создать жизнеспособные<br />
GaAs-MOSFET, но эта компания<br />
пока не раскры<strong>в</strong>ает с<strong>в</strong>оих достижений. Ясно<br />
одно: с учетом исключительной под<strong>в</strong>ижности<br />
электроно<strong>в</strong> <strong>в</strong> GaAs (уступает только<br />
InP) — это проры<strong>в</strong> <strong>в</strong> создании суперскоростных<br />
АЦП. А что касается мощных<br />
GaAs-MOSFET, то пройдет длительное <strong>в</strong>ремя,<br />
пока они поя<strong>в</strong>ятся даже <strong>в</strong> лабораторном<br />
<strong>в</strong>иде. Вероятно, ключ к успеху — <strong>в</strong> ядерных<br />
технологиях, <strong>в</strong> ядерной электронике, и тогда<br />
путь от подзат<strong>в</strong>орного Al 2 O 3 к наиболее приемлемому<br />
конструкти<strong>в</strong>ному <strong>в</strong>арианту резко<br />
сократится.<br />
Поле<strong>в</strong>ые транзисторы<br />
со статическим упра<strong>в</strong>лением — JFET<br />
Мощные <strong>в</strong>ысоко<strong>в</strong>ольтные кремние<strong>в</strong>ые JFET<br />
не получили пока широкого распространения<br />
по сра<strong>в</strong>нению с MOSFET и IGBT. Причина, <strong>в</strong>идимо,<br />
<strong>в</strong> том, что должны быть электрические<br />
цепи, обеспечи<strong>в</strong>ающие при запуске ключа<br />
на JFET его закрытое состояние. Но, тем не менее,<br />
по с<strong>в</strong>оим переключающим с<strong>в</strong>ойст<strong>в</strong>ам <strong>в</strong>ысоко<strong>в</strong>ольтные<br />
кремние<strong>в</strong>ые JFET (как пра<strong>в</strong>ило,<br />
<strong>в</strong>ертикального типа) имеют бесспорное преимущест<strong>в</strong>о<br />
над кремние<strong>в</strong>ыми MOSFET. Это<br />
<strong>в</strong>ытекает из того, что <strong>в</strong>ходная емкость JFETключа<br />
на порядок меньше, чем у MOSFET,<br />
и <strong>в</strong> диапазоне 600–1500 В данные ключи несопоста<strong>в</strong>имы<br />
по частоте коммутации. Элементы<br />
со<strong>в</strong>ременной Trench-MOSFET-технологии поз<strong>в</strong>оляют<br />
созда<strong>в</strong>ать интегральную структуру<br />
<strong>в</strong>ысоко<strong>в</strong>ольтных JFET-кристалло<strong>в</strong> с плотностью<br />
упако<strong>в</strong>ки 10 6 –10 7 /см 2 . Специфика <strong>в</strong>ертикальных<br />
JFET тако<strong>в</strong>а, что они несколько<br />
уступают MOSFET по напряжению пробоя<br />
<strong>в</strong> закрытом состоянии (из-за канала), но <strong>в</strong>се<br />
же очень близки к ним по значению R DSon ,<br />
а произ<strong>в</strong>едение R К·С <strong>в</strong>х (сопроти<strong>в</strong>ление канала<br />
на <strong>в</strong>ходную емкость зат<strong>в</strong>ора) значительно<br />
меньше, что <strong>в</strong>лияет на частотные с<strong>в</strong>ойст<strong>в</strong>а.<br />
Слабые стороны JFET ясны, это, прежде <strong>в</strong>сего,<br />
необходимость защиты цепи зат<strong>в</strong>ора от положительного<br />
броска напряжения (n-канальные<br />
JFET), низкая про<strong>в</strong>одимость. Тем не менее <strong>в</strong>озможно<br />
создание кремние<strong>в</strong>ых JFET-приборо<strong>в</strong><br />
с нормально-открытым каналом, с абсолютной<br />
надежностью упра<strong>в</strong>ляющего напряжения<br />
на зат<strong>в</strong>оре <strong>в</strong>плоть до ±30 В, с утечками <strong>в</strong> единицы<br />
наноампер.<br />
Но проры<strong>в</strong>ные технологии <strong>в</strong>ысоко<strong>в</strong>ольтных<br />
JFET, <strong>в</strong> т. ч. <strong>в</strong>ысоко<strong>в</strong>ольтных HEMT, уже<br />
коммерциализиро<strong>в</strong>аны. Фирма SemiSouth<br />
Laboratories <strong>в</strong> 2008 г. анонсиро<strong>в</strong>ала нормально<br />
<strong>в</strong>ыключенный карбид-кремние<strong>в</strong>ый мощный<br />
Trench-JFET, целую серию <strong>в</strong> корпусах ТО-247<br />
(габариты с<strong>в</strong>язаны с мощностью и R DSon ). Это<br />
SJEP170R550, SJEP120R125, SJEP120R063 и др.<br />
JFET имеют идентичное упра<strong>в</strong>ление (до 3 В)<br />
по зат<strong>в</strong>ору, что и MOSFET; рабочие напряжения<br />
1200, 1700 В, низкие сопроти<strong>в</strong>ления<br />
открытого канала, большие рабочие токи,<br />
приближающиеся к кремние<strong>в</strong>ым IGBT; при<br />
I D = 3 A, U DS = 850 В у 1700-В SiC-JFET <strong>в</strong>ремена<br />
задержки/нарастания/рассасы<strong>в</strong>ания/<br />
спада соста<strong>в</strong>ляют 12/14/28/30 нс, а у 1200-В<br />
SiC-JFET при U DS = 600 В и I D = 24 A соот<strong>в</strong>етст<strong>в</strong>ующие<br />
<strong>в</strong>еличины <strong>в</strong>ремен <strong>в</strong>ключения/<strong>в</strong>ыключения<br />
ра<strong>в</strong>ны 20/70/30/70 нс, что приближает<br />
их к 800(900)-В кремние<strong>в</strong>ым COOLMOS<br />
(MKE11R600DCGFC при U GS = 0–10 В,<br />
U DS = 380 В, I D = 12 A, R G = 10 Ом имеет <strong>в</strong>ремя<br />
задержки <strong>в</strong>ключения 7 нс, нарастания — 5,5 нс,<br />
рассасы<strong>в</strong>ания — 67 нс и спада — 6 нс, при<br />
этом потери мощности при <strong>в</strong>ключении —<br />
0,075 мДж, при <strong>в</strong>ыключении — 0,01 мДж).<br />
Такие слабые стороны, как большая емкость<br />
зат<strong>в</strong>ора, низкое прямое статическое напряжение<br />
на зат<strong>в</strong>оре (U GS ≤3 В при I GS0 >150 мA),<br />
обязательное наличие <strong>в</strong>ходной RC-цепи<br />
(необходимость согласо<strong>в</strong>ания с мощными<br />
драй<strong>в</strong>ерами), <strong>в</strong>ероятно, <strong>в</strong> ближайшее <strong>в</strong>ремя<br />
будут скорректиро<strong>в</strong>аны <strong>в</strong> лучшую сторону.<br />
Данные EM SiC-VJFET-поле<strong>в</strong>ые приборы <strong>в</strong>ыз<strong>в</strong>али<br />
огромный интерес у разработчико<strong>в</strong>.<br />
На SJEP120R050 EM SiC-JFET были продемонстриро<strong>в</strong>аны<br />
<strong>в</strong>ремена спада 25 нс с минимизиро<strong>в</strong>анными<br />
потерями энергии переключения,<br />
без х<strong>в</strong>осто<strong>в</strong>ого тока, как у IGBT.<br />
На осно<strong>в</strong>е AlGaN/GaN получены <strong>в</strong>ысоко<strong>в</strong>ольтные<br />
HEMT-транзисторы с напряжением<br />
400–600 В (горизонтального типа) с токами<br />
до 5 А, с μ nD2 ~1100 cм 2 /В·с, и <strong>в</strong> ближайшие<br />
годы можно ожидать но<strong>в</strong>ых конструкти<strong>в</strong>ных<br />
исполнений горизонтальных <strong>в</strong>ысоко<strong>в</strong>ольтных<br />
JFET/HEMT-транзисторо<strong>в</strong>, но по с<strong>в</strong>оим<br />
характеристикам (при одинако<strong>в</strong>ой под<strong>в</strong>ижности<br />
электроно<strong>в</strong>) конкуриро<strong>в</strong>ать с SiC/SiC-<br />
JFET-приборами им будет сложно<strong>в</strong>ато.<br />
GaAs, как хорошо технологически отработанный<br />
материал для p-i-n-GaAs-диодо<strong>в</strong>, <strong>в</strong> стороне<br />
не останется. На GaAs можно созда<strong>в</strong>ать<br />
JFET как <strong>в</strong>ертикального, так и горизонтального<br />
типа. В ближайшие д<strong>в</strong>а года планируется<br />
создание <strong>в</strong>ысоко<strong>в</strong>ольтных AlGaAs/GaAs-<br />
JFET-приборо<strong>в</strong> с напряжениями 200–1700 В<br />
и плотностью тока, приближенной к SiC-JFET.<br />
Их отличительной особенностью будет исключительно<br />
<strong>в</strong>ысокая частота переключения,<br />
<strong>в</strong> 2–5 раз <strong>в</strong>ыше, чем у <strong>в</strong>ысоко<strong>в</strong>ольтных SiCи<br />
GaN-JFET/HFET-приборо<strong>в</strong>. Входная емкость<br />
GaAs-JFET планируется на 1,5–2 порядка ниже,<br />
чем у SiC и GaN, при этом про<strong>в</strong>одимость канала<br />
будет приближаться к широкозонным<br />
полупро<strong>в</strong>одникам.<br />
Неплохая деше<strong>в</strong>ая технология <strong>в</strong>ыращи<strong>в</strong>ания<br />
эпитаксиальных слое<strong>в</strong> GaAs поз<strong>в</strong>оляет<br />
рассчиты<strong>в</strong>ать на проектиро<strong>в</strong>ание/изгото<strong>в</strong>ление<br />
чипо<strong>в</strong> GaAs размерами<br />
10×10 мм 2 (для сра<strong>в</strong>нения: UFRED-p-i-n-<br />
GaAs — до 12,5×12,5 мм 2 , HyperfastFRED-<br />
GaAs — до 10×10 мм 2 ). Поя<strong>в</strong>ление суперскоростных<br />
GaAs-JFET-приборо<strong>в</strong> может изменить<br />
<strong>в</strong>сю мозаику преобразо<strong>в</strong>ательной техники<br />
<strong>в</strong> диапазоне частот 1–5 МГц. Ситуация <strong>в</strong> данном<br />
сегменте будет за<strong>в</strong>исеть и от того, какие<br />
конструкти<strong>в</strong>ные и технологические решения<br />
<strong>в</strong> области GaAs-MOSFET предложит <strong>в</strong> ближайшие<br />
годы компания Freescale.<br />
Биполярные транзисторы (BJT)<br />
На миро<strong>в</strong>ом рынке предста<strong>в</strong>лены тысячи типономинало<strong>в</strong><br />
<strong>в</strong>ысоко<strong>в</strong>ольтных биполярных<br />
кремние<strong>в</strong>ых транзисторо<strong>в</strong>, от единиц ампер<br />
до килоампер, с напряжениями до 2 кВ и <strong>в</strong>ыше.<br />
В стандартных диапазонах до 200 В кремние<strong>в</strong>ые<br />
BJT-транзисторы демонстрируют <strong>в</strong>ремя спада<br />
до 50 нс, до 1200 В — 0,12 мкс, до 1500 В —<br />
0,2 мкс. Одним из ярко <strong>в</strong>ыраженных предста<strong>в</strong>ителей<br />
среди них я<strong>в</strong>ляется 2Т8277 (1,5 кВ,<br />
25 А, 0,2 мкс), но большие <strong>в</strong>ремена рассасы<strong>в</strong>ания<br />
неосно<strong>в</strong>ных носителей (~1,2–1,5 мкс)<br />
допускают реализацию эффекти<strong>в</strong>ных преобразо<strong>в</strong>ателей<br />
на частоты не более 50 кГц.<br />
Компанией TranSiC (Ш<strong>в</strong>еция) к настоящему<br />
<strong>в</strong>ремени предста<strong>в</strong>лено семейст<strong>в</strong>о биполярных<br />
транзисторо<strong>в</strong> BitSiC BT1206–1230AC-P1<br />
на напряжения 1200 В, токи 6–30 А, с рабочей<br />
температурой T J = +175 °С <strong>в</strong> корпусах TO-247.<br />
Транзисторы имеют прекрасные остаточные<br />
напряжения насыщения U CE sat = 0,5(0,75) В<br />
(+25/+75 °С) на максимальных токах (для сра<strong>в</strong>-<br />
8 www.power-e.ru
Сило<strong>в</strong>ая Электроника, № 5’2010<br />
Рынок<br />
www.power-e.ru<br />
нения, у лучших кремние<strong>в</strong>ых транзисторо<strong>в</strong><br />
они <strong>в</strong> 2,5–3 раза больше). Прекрасно, но это<br />
еще не <strong>в</strong>се. Емкость C BC необычайно <strong>в</strong>елика,<br />
а диффузионная емкость перехода эмиттербаза<br />
при прямом смещении «зашкали<strong>в</strong>ает»,<br />
что резко снижает частотные и переключающие<br />
характеристики SiC-BJT. Впрочем, и цена<br />
SiC-BJT-транзистора на порядок <strong>в</strong>ыше кремние<strong>в</strong>ого.<br />
Есть у биполярных SiС-p-i-n-диодо<strong>в</strong>,<br />
транзисторо<strong>в</strong>, тиристоро<strong>в</strong> и IGBT, <strong>в</strong>ыполненных<br />
на эпитаксиальных структурах, и более<br />
серьезные недостатки, <strong>в</strong>ыражающиеся <strong>в</strong> том,<br />
что <strong>в</strong> процессе эксплуатации у<strong>в</strong>еличи<strong>в</strong>аются<br />
токи утечки, снижаются проби<strong>в</strong>ные напряжения,<br />
ухудшается про<strong>в</strong>одимость. Во многих<br />
информационных источниках показано, что<br />
<strong>в</strong> эпитаксиальных пленках 4H- или 6H-SiC при<br />
больших плотностях электронно-дырочной<br />
плазмы <strong>в</strong> <strong>в</strong>ысокоомной области происходит<br />
так назы<strong>в</strong>аемый stacking faults-эффект<br />
(SF-эффект). Это обусло<strong>в</strong>лено тем, что энергия<br />
безызлучательной рекомбинации электроннодырочной<br />
пары <strong>в</strong> указанных политипах SiC<br />
достаточна для преодоления атомом барьера,<br />
препятст<strong>в</strong>ующего его смещению <strong>в</strong> другое положение,<br />
т. е. происходит перестройка кристаллической<br />
решетки SiC из гексагональной<br />
<strong>в</strong> кубическую. В гексагональной структуре,<br />
например политипа 4Р-SiC, образуются кубические<br />
<strong>в</strong>ключения — SF-дефекты, которые<br />
<strong>в</strong>озникают на несо<strong>в</strong>ершенст<strong>в</strong>ах кристаллической<br />
4H-SiC- и 6H-SiC-решеток из-за наличия<br />
нанотрубок, дислокаций, нанокластерных образо<strong>в</strong>аний,<br />
точечных дефекто<strong>в</strong>. Чаще <strong>в</strong>сего<br />
SF-дефекты зарождаются на границе раздела<br />
эпитаксиального слоя с монокристаллом. Под<br />
дейст<strong>в</strong>ием плотности тока биполярных носителей,<br />
у<strong>в</strong>еличения рекомбинации и роста<br />
температуры линейные размеры SF-дефекто<strong>в</strong><br />
быстро у<strong>в</strong>еличи<strong>в</strong>аются <strong>в</strong>доль оси эпитаксиального<br />
роста и, достигая p-n-перехода, резко<br />
изменяют с<strong>в</strong>ойст<strong>в</strong>а границы раздела, при<strong>в</strong>одя<br />
к катастрофическим отказам.<br />
Необходимо подчеркнуть, что росто<strong>в</strong>ые<br />
технологии монокристалло<strong>в</strong> SiC (до 8”) резко<br />
шагнули <strong>в</strong>перед. Сегодня, не без участия<br />
наших соотечест<strong>в</strong>еннико<strong>в</strong> из С.-Петербурга,<br />
<strong>в</strong>ыращи<strong>в</strong>аются практически со<strong>в</strong>ершенные<br />
кристаллы SiC, что <strong>в</strong>селяет надежду на пода<strong>в</strong>ление<br />
данного эффекта на с<strong>в</strong>ерх<strong>в</strong>ысоко<strong>в</strong>ольтных<br />
биполярных SiC-приборах и резкое по<strong>в</strong>ышение<br />
надежности планарно-эпитаксиальных<br />
биполярных SiC-приборо<strong>в</strong>.<br />
Биполярных <strong>в</strong>ысоко<strong>в</strong>ольтных GaN-BJTприборо<strong>в</strong><br />
пока нет из-за технологических<br />
проблем. Есть HBT-приборы CВЧ-диапазона<br />
до 60 В. В отличие от SiC и GaN, на GaAs<br />
очень легко реализуются <strong>в</strong>ысоко<strong>в</strong>ольтные<br />
(до 1700 В) p-n-p-транзисторы, на порядок<br />
более скоростные, чем SiC-n-p-n, и сейчас<br />
<strong>в</strong>едется проработка <strong>в</strong>ысоко<strong>в</strong>ольтной n-p-nтехнологии,<br />
что поз<strong>в</strong>олит созда<strong>в</strong>ать комплементарную<br />
<strong>в</strong>ысоко<strong>в</strong>ольтную пару <strong>в</strong>ысокоскоростных<br />
транзисторо<strong>в</strong>, где потери мощности<br />
на <strong>в</strong>ключение/<strong>в</strong>ыключение будут на порядок<br />
меньше, чем у Si- и SiC-BJT, поскольку переход<br />
эмиттер-база будет <strong>в</strong>ыполнен на гетероструктуре<br />
AlGaAs/GaAs. Планируются также<br />
(и уже созданы) гетероэпитаксиальные p-n-pструктуры<br />
для изгото<strong>в</strong>ления p-n-p-чипо<strong>в</strong>:<br />
400–600 В, 10 А, 1 ГГц (для сра<strong>в</strong>нения, лучший<br />
кремние<strong>в</strong>ый p-n-p-транзистор фирмы Siemens<br />
<strong>в</strong>ытяги<strong>в</strong>ает 40 В, 1 ГГц).<br />
Другими сло<strong>в</strong>ами, и здесь арсенид галлия<br />
резко расширяет <strong>в</strong>озможности мощных полупро<strong>в</strong>однико<strong>в</strong>ых<br />
приборо<strong>в</strong>.<br />
Тиристоры<br />
Практически <strong>в</strong>се тиристоры, предста<strong>в</strong>ленные<br />
на миро<strong>в</strong>ом рынке, кремние<strong>в</strong>ые.<br />
От единиц ампер до десятка килоампер,<br />
от 200 В до 10 кВ — это <strong>в</strong>се пока обеспечи<strong>в</strong>ается<br />
приборами на осно<strong>в</strong>е кремния. IGCTприборы<br />
до 30 МВт (компрессоры на трубах)<br />
— это тоже приборы на осно<strong>в</strong>е кремния и,<br />
судя по <strong>в</strong>сему, задержатся <strong>в</strong> ЭКБ очень надолго.<br />
Указы<strong>в</strong>ать на ахиллесо<strong>в</strong>у пяту тиристоро<strong>в</strong>,<br />
го<strong>в</strong>оря, что их частотные с<strong>в</strong>ойст<strong>в</strong>а ед<strong>в</strong>а пере<strong>в</strong>али<strong>в</strong>ают<br />
за 10 кГц (до 1200–1700 В), тоже непра<strong>в</strong>ильно.<br />
Кремние<strong>в</strong>ые СИТ-тиристоры работают<br />
на 30 кГц, а тиристоры с MOS-упра<strong>в</strong>лением<br />
Грехо<strong>в</strong>а И. В. (ФТИ им. А. Ф. Иоффе<br />
РАН, С.-Петербург), Бономорского О. И.<br />
(ВЭИ, Моск<strong>в</strong>а) могут успешно поспорить<br />
с кремние<strong>в</strong>ыми IGBT на частотах ~100 кГц.<br />
Но прогресс не остано<strong>в</strong>ить. Пер<strong>в</strong>ые асимметричные<br />
SiC-тиристоры на 25 А/3000 В были<br />
также предста<strong>в</strong>лены на APEC-2010 компанией<br />
GE Global Research. Структура 4H-SiC<br />
(SiC/SiC) c эпитаксиальной пленкой n-типа,<br />
предположительно с d~20 мкм, с исключительно<br />
низкой плотностью дислокаций.<br />
Тиристор имеет неплохие остаточные напряжения<br />
(те же, что и у пер<strong>в</strong>ых российских<br />
IGBT на 25 А), <strong>в</strong>ыдержи<strong>в</strong>ает температуру<br />
до +200 °C и имеет <strong>в</strong>ысокие импульсные<br />
токи при достаточно большой плотности тока<br />
на чип. Он блокируется только <strong>в</strong> прямом напра<strong>в</strong>лении.<br />
В принципе, <strong>в</strong>еличину тока при<br />
оптимизации топологии SiC-кристалла тиристора<br />
можно у<strong>в</strong>еличить <strong>в</strong> д<strong>в</strong>а раза (50 А).<br />
Если сра<strong>в</strong>ни<strong>в</strong>ать с кремние<strong>в</strong>ыми интегральными<br />
тиристорами Грехо<strong>в</strong>а, плотность тока<br />
<strong>в</strong> SiC-тиристорах <strong>в</strong>ыше на полпорядка, но не<br />
<strong>в</strong> 10 раз, как прогнозиро<strong>в</strong>али. Тем не менее<br />
они обладают теплопро<strong>в</strong>одностью кристалла<br />
SiC <strong>в</strong> 3,5 раза лучшей по сра<strong>в</strong>нению с Si,<br />
да и, на<strong>в</strong>ерняка, быстродейст<strong>в</strong>ием лучшим на<br />
те же полпорядка. Таким образом, сра<strong>в</strong>ни<strong>в</strong>ать<br />
нечего. Остается одно — убрать SF-дефекты.<br />
Но, судя по технологическим успехам <strong>в</strong> <strong>в</strong>ыращи<strong>в</strong>ании<br />
почти бездислокационного монокристаллического<br />
SiC <strong>в</strong> Калифорнии, пода<strong>в</strong>ить<br />
SF-эффект удастся <strong>в</strong> значительной степени,<br />
но <strong>в</strong>ряд ли до конца. Вполне реально<br />
предположить, что к 2015 г. поя<strong>в</strong>ятся тиристорные<br />
SiC-чипы на 300 А/3000 В. Для спра<strong>в</strong>ки:<br />
тиристорные GaAs-чипы на 300 А/1700 В<br />
(<strong>в</strong> 2–3 раза более <strong>в</strong>ысокочастотные, чем SiCтиристоры)<br />
при усло<strong>в</strong>ии <strong>в</strong>нимания со стороны<br />
ГК «Роснанотех» <strong>в</strong> России могли бы поя<strong>в</strong>иться<br />
<strong>в</strong> опытном <strong>в</strong>иде <strong>в</strong> 2011 г., а серия —<br />
<strong>в</strong> 2012 г. В GaAs-тиристорах, ра<strong>в</strong>но как и <strong>в</strong> BJT,<br />
и UFRED-p-i-n-GaAs отсутст<strong>в</strong>ует SF-эффект.<br />
Что касается тиристоро<strong>в</strong> на нитриде галлия,<br />
то надо сначала сделать хотя бы «<strong>в</strong>елосипед»,<br />
т. е. GaN-диоды Шоттки на 100, 1200,<br />
1700 В. Дело не за горами. Но <strong>в</strong>сем лидерам<br />
миро<strong>в</strong>ой сило<strong>в</strong>ой электроники (IR, Panasonic,<br />
NEC и др.), <strong>в</strong>ероятно, надо <strong>в</strong>ернуться к подложке<br />
на решетке 4H-SiC и искать <strong>в</strong>ыгодный<br />
«подушечный» политип. Арсенид галлия<br />
<strong>в</strong> стороне от тиристорной тематики никогда<br />
не стоял. В СССР <strong>в</strong> ФТИ РАН (С.-Петербург)<br />
и <strong>в</strong> ВЭИ <strong>в</strong> середине 80-х гг. были созданы<br />
ОКРо<strong>в</strong>ские образцы (несколько тысяч GaAsтиристоро<strong>в</strong>)<br />
на 60 А/600 В, которые «рассосались»<br />
<strong>в</strong> аппаратуре ВПК <strong>в</strong> осно<strong>в</strong>ном <strong>в</strong> Нижнем<br />
Но<strong>в</strong>огороде.<br />
Сейчас реалии тако<strong>в</strong>ы, что при создании<br />
ETO/MCT-тиристора на базе интегральной<br />
«подсказки» Грехо<strong>в</strong>а и Бономорского реально<br />
получить 100(200) А/1200 В на 500 кГц<br />
при «остатках» <strong>в</strong> прямом напра<strong>в</strong>лении, близких<br />
к кремнию (<strong>в</strong> случае гетероэмиттера),<br />
а по упра<strong>в</strong>лению потери мощности можно<br />
снизить <strong>в</strong> 5–10 раз по сра<strong>в</strong>нению с кремние<strong>в</strong>ыми<br />
интегральными GTO. (На SiC <strong>в</strong> принципе<br />
можно построить гетероструктуры, например,<br />
SiC/Si, но это шаг назад, как, например,<br />
Si/Ge-ССИС).<br />
В итоге разработчикам SiC/SiC-тиристоро<strong>в</strong><br />
до 1700 В не надо расстраи<strong>в</strong>аться: после 3 кВ —<br />
это суперинтересное занятие для мощных импульсных<br />
применений, например, для статических<br />
преобразо<strong>в</strong>ателей и электропри<strong>в</strong>ода<br />
РЖД. К 2020 г. <strong>в</strong> области тиристоро<strong>в</strong> на SiC/SiC<br />
и AlGaAs/GaAs можно ожидать исключительных<br />
результато<strong>в</strong>.<br />
IGBT-приборы<br />
Все со<strong>в</strong>ременные успехи <strong>в</strong> мощной и с<strong>в</strong>ерхмощной<br />
электронике ассоциируются с кремние<strong>в</strong>ыми<br />
IGBT. Есть ли <strong>в</strong>озможность создания<br />
IGBT-приборо<strong>в</strong> на осно<strong>в</strong>е GaAs, SiC и GaN?<br />
Есть, но пока только на SiC, причем <strong>в</strong> ближайшее<br />
<strong>в</strong>ремя. Что ожидать? К 2015 г. <strong>в</strong>озможно<br />
поя<strong>в</strong>ление опытных образцо<strong>в</strong> на 300 А,<br />
1200 В, 250 кГц на чипах размером 40–50 мм 2 .<br />
Но у разработчико<strong>в</strong> будут д<strong>в</strong>е проблемы.<br />
Во-пер<strong>в</strong>ых, как от<strong>в</strong>ести от чипа 6,6×6,6 мм 2<br />
300 А? Вероятно, придется <strong>в</strong>спомнить технологию<br />
корпусиро<strong>в</strong>ания и теплоот<strong>в</strong>ода<br />
ThinKey, <strong>в</strong> таком случае T J будет >+300 °C.<br />
Во-<strong>в</strong>торых, что делать с прямой «пяткой»,<br />
которая достигнет 3,8–4 В при рабочих температурах<br />
(4,0 В×300 А — «утюг»)? Исходя<br />
из этого, до 1700 В поле дейст<strong>в</strong>ия, <strong>в</strong>идимо,<br />
придется оста<strong>в</strong>ить кремнию, SiC/SiC-MOSFET,<br />
JFET, тиристорам, а <strong>в</strong> с<strong>в</strong>ерх<strong>в</strong>ысоко<strong>в</strong>ольтной<br />
электронике рынок смогут зах<strong>в</strong>атить SiC/SiCприборы.<br />
К 2020 г. будет пройдена проблема<br />
1 кА, 3,3 кВ, 50 кГц — SiC/SiC-IGBT.<br />
Рынок мощных полупро<strong>в</strong>однико<strong>в</strong>ых<br />
приборо<strong>в</strong>: реальность и прогноз<br />
Осно<strong>в</strong>ные стимуляторы роста рынка мощных<br />
полупро<strong>в</strong>однико<strong>в</strong>ых приборо<strong>в</strong>:<br />
• климат;<br />
• стоимость барреля нефти;<br />
• стоимость кубометра газа;<br />
• стоимость кило<strong>в</strong>атт-часа;<br />
• <strong>в</strong>ооруженность цифро<strong>в</strong>ой техникой;<br />
• <strong>в</strong>оенная техника.<br />
В России от климата до спецтехники <strong>в</strong> смысле<br />
рынка должно быть «<strong>в</strong>се <strong>в</strong> порядке». По фак-<br />
9
Сило<strong>в</strong>ая Электроника, № 5’2010<br />
Рынок<br />
тической отчетной информации а<strong>в</strong>торитетных<br />
международных компаний по исследо<strong>в</strong>анию<br />
рынко<strong>в</strong> (International Data Corporation, США,<br />
и Yole Developpement, Франция) имеет место<br />
следующий прогноз раз<strong>в</strong>ития миро<strong>в</strong>ой полупро<strong>в</strong>однико<strong>в</strong>ой<br />
электроники:<br />
• Общий миро<strong>в</strong>ой объем полупро<strong>в</strong>однико<strong>в</strong>ой<br />
продукции <strong>в</strong> 2010 г. соста<strong>в</strong>ит $274 млрд.<br />
• Среднегодо<strong>в</strong>ые темпы роста <strong>в</strong> 2009–2014 гг.<br />
соста<strong>в</strong>ят 8,8%.<br />
• В промышленности, <strong>в</strong>оенном, аэрокосмическом<br />
сегменте и <strong>в</strong> области а<strong>в</strong>томобильной<br />
электроники среднегодо<strong>в</strong>ые темпы роста<br />
соста<strong>в</strong>ят: <strong>в</strong> 2009–2014 гг. — 13,2%; <strong>в</strong> том<br />
числе 2009–2010 гг. — 20,4%.<br />
• Рынок мощных полупро<strong>в</strong>однико<strong>в</strong>ых приборо<strong>в</strong><br />
соста<strong>в</strong>ит около 9,5% общего объема<br />
полупро<strong>в</strong>однико<strong>в</strong>ой продукции и соста<strong>в</strong>ит<br />
<strong>в</strong> 2010 г. ~$27,0 млрд.<br />
В таблице 5 показано сегментиро<strong>в</strong>ание рынка<br />
сило<strong>в</strong>ой электроники по используемым<br />
материалам, а распределение по полупро<strong>в</strong>однико<strong>в</strong>ым<br />
приборам <strong>в</strong>ыглядит следующим<br />
образом:<br />
• Мощные транзисторы: 2010 г. — $11,0 млрд;<br />
темп роста <strong>в</strong> 2009–2010 гг. — 31%; среднегодо<strong>в</strong>ой<br />
прирост 2009–2014 гг. — 12%.<br />
• Мощные диоды: 2010 г. — $3,0 млрд;<br />
к 2014 г. ~$3,5 млрд (по оценке Electronics.<br />
ca Publications Inc., Канада); среднегодо<strong>в</strong>ой<br />
темп роста <strong>в</strong> 2009–2014 гг. — 4%.<br />
• Мощные тиристоры: 2010 г. — $1,2 млрд;<br />
к 2014 г. ~$1,45 млрд; среднегодо<strong>в</strong>ой темп<br />
роста за 2010–2014 гг. ~3,7%.<br />
Но, судя по <strong>в</strong>сему, можно сделать и более<br />
оптимистичный прогноз по SiC-приборам,<br />
хотя и с учетом GaAs.<br />
Заключение<br />
Для нормального и поступательного раз<strong>в</strong>ития<br />
экономики России исключительно<br />
<strong>в</strong>ажное значение имеет применение сило<strong>в</strong>ой<br />
электроники практически <strong>в</strong>о <strong>в</strong>сех <strong>в</strong>ажнейших<br />
сферах экономики: электроэнергетика, станции<br />
перекачки нефти, газо<strong>в</strong>ые компрессоры,<br />
ж/д транспорт, трам<strong>в</strong>айно-троллейбусный<br />
парк, ЖКХ, ТЭЦ, кондициониро<strong>в</strong>ание, индукционный<br />
нагре<strong>в</strong>, быто<strong>в</strong>ая техника, с<strong>в</strong>арка,<br />
телекоммуникации, с<strong>в</strong>язь, цифро<strong>в</strong>ая техника,<br />
электромобилестроение, LED, солнечная<br />
энергетика и т. д., то есть практически <strong>в</strong>сюду.<br />
Инно<strong>в</strong>ации — это не<strong>в</strong>ероятная прибыль, каждый<br />
<strong>в</strong>ложенный сегодня рубль к 2020 г. абсолютно<br />
точно пре<strong>в</strong>ратится <strong>в</strong> унцию золота.<br />
«Короткие» рубли кончились, даже <strong>в</strong> суперин<strong>в</strong>естициях,<br />
на примере LED или солнечных<br />
батарей понятно, что не <strong>в</strong>се так просто, легче<br />
«гоняться за <strong>в</strong>етром». «Деньги на <strong>в</strong>етер» — <strong>в</strong>о<strong>в</strong>се<br />
не смешно, поскольку речь идет о <strong>в</strong>етроэнергетике.<br />
К примеру, <strong>в</strong> районе г. Ульяно<strong>в</strong>ска<br />
с учетом рельефа местности и искусст<strong>в</strong>енного<br />
моря с помощью сило<strong>в</strong>ой электроники можно<br />
было бы получать около 50 МВт <strong>в</strong>етряной<br />
электроэнергии, усло<strong>в</strong>ия-то идеальные, без<strong>в</strong>етрия<br />
<strong>в</strong> этом районе практически не бы<strong>в</strong>ает.<br />
Так что же с сило<strong>в</strong>ыми приборами? А<strong>в</strong>торы<br />
убеждены <strong>в</strong> следующем:<br />
1. Кремний — базо<strong>в</strong>ый материал для промышленной<br />
электроники <strong>в</strong> текущем десятилетии<br />
и тем более <strong>в</strong> области с<strong>в</strong>ерхмощной<br />
энергетики (>1,0 МВт).<br />
2. Карбид кремния (4H-политип) постепенно<br />
займет значительную часть рынка сило<strong>в</strong>ой<br />
электроники для приборо<strong>в</strong> с MOS- и JFETупра<strong>в</strong>лением<br />
и с<strong>в</strong>ерх<strong>в</strong>ысоко<strong>в</strong>ольтных приборо<strong>в</strong><br />
(>3 кВ).<br />
3. Арсенид галлия акти<strong>в</strong>но <strong>в</strong>клинится <strong>в</strong> самый<br />
массо<strong>в</strong>ый рынок сило<strong>в</strong>ой электроники<br />
до 1700 В (Hyperfast FRED, JFET, MCT/ETO,<br />
BJT). На осно<strong>в</strong>е прекрасно отработанного<br />
исходного материала — LPE/MOCVD бездислокационных<br />
эпитаксиальных структур<br />
с учетом μ n ~900 см 2 /В·с — откры<strong>в</strong>аются <strong>в</strong>еликолепные<br />
<strong>в</strong>озможности для отечест<strong>в</strong>енной<br />
сило<strong>в</strong>ой электроники занять с<strong>в</strong>ое достойное<br />
место на миро<strong>в</strong>ом рынке и уйти<br />
от унизительных цифр (0,04% миро<strong>в</strong>ого<br />
произ<strong>в</strong>одст<strong>в</strong>а <strong>в</strong> 2010 г.) к 8% миро<strong>в</strong>ого<br />
рынка мощной ЭКБ <strong>в</strong> 2020 г. Необходимо<br />
отметить, что <strong>в</strong>есь пакет интеллектуальной<br />
собст<strong>в</strong>енности по мощным p-i-n-GaAsприборам<br />
— за Россией. Сроки организации<br />
произ<strong>в</strong>одст<strong>в</strong>а <strong>в</strong>сей гаммы сило<strong>в</strong>ых<br />
GaAs-приборо<strong>в</strong> <strong>в</strong> России — 2–3 года.<br />
4. С оценками нитрида галлия надо подождать<br />
еще года д<strong>в</strong>а-три, пока не поя<strong>в</strong>ятся<br />
качест<strong>в</strong>енные подложки и не утихнет эйфория.<br />
На это указы<strong>в</strong>ает упомина<strong>в</strong>шаяся<br />
<strong>в</strong>ыше публикация «Где <strong>в</strong>ысоко<strong>в</strong>ольтные<br />
GaN приборы?» <strong>в</strong> журнале Power Electronics<br />
Technology (а<strong>в</strong>тор — Арнольд Н. Андерман,<br />
президент Anagenesis, Inc., Эль-Сегундо,<br />
Калифорния). Процитируем некоторые<br />
его <strong>в</strong>ысказы<strong>в</strong>ания: «Меня беспокоит то,<br />
что, обещая сертификацию продукта, они<br />
(т. е. разработчики, — Прим. а<strong>в</strong>торо<strong>в</strong>)<br />
<strong>в</strong>се еще обсуждают фундаментальные изменения,<br />
как, например, то, что продукт,<br />
<strong>в</strong>озможно, будет <strong>в</strong>ертикальным, а не горизонтальным.<br />
Кроме того, их попытки<br />
улучшить показатели напряжения я<strong>в</strong>ляются<br />
труднодостижимыми. Я получил комментарии<br />
от тех, кто тестиро<strong>в</strong>ал сущест<strong>в</strong>ующие<br />
GaN-транзисторы. Мне сообщили,<br />
что у приборо<strong>в</strong> наблюдался значительный<br />
спад эффекти<strong>в</strong>ности при работе на уро<strong>в</strong>не<br />
напряжений, приближающемся к 80% показателя<br />
напряжения прибора».<br />
Это согласуется с нашими <strong>в</strong>ы<strong>в</strong>одами, что<br />
коммерческих сило<strong>в</strong>ых GaN-приборо<strong>в</strong> пока<br />
нет. Далее, несомненно, они поя<strong>в</strong>ятся (к 2015 г.),<br />
<strong>в</strong>ероятно, на осно<strong>в</strong>е SiC/GaN.<br />
Мы, к сожалению, многое упускаем <strong>в</strong> области<br />
сило<strong>в</strong>ой электроники. Россия «проспала»,<br />
к примеру, ры<strong>в</strong>ок Китая и США <strong>в</strong> беспро<strong>в</strong>одной<br />
арсенид-галлие<strong>в</strong>ой электронике. При этом<br />
нельзя сказать, что мы <strong>в</strong>ообще безнадежно отстали<br />
<strong>в</strong> сило<strong>в</strong>ой электронике. Россия была и я<strong>в</strong>ляется<br />
интеллектуальным миро<strong>в</strong>ым центром<br />
СЭ. Дело за малым — нужны государст<strong>в</strong>енные<br />
решения и финансиро<strong>в</strong>ание. Вполне реально<br />
за 2–3 года создать наукоград, столицу сило<strong>в</strong>ой<br />
электроники, предположим, на благодатной<br />
площадке <strong>в</strong> г. Саранска, которая будет ничуть<br />
не слабее Калифорнийской долины, скорее<br />
наоборот, потому что она будет построена<br />
на базе достижений, заложенных ФТИ им. А.<br />
Ф. Иоффе, ВЭИ, «Пульсаром», Фрязинским<br />
за<strong>в</strong>одом мощных транзисторо<strong>в</strong> и др. Упуская<br />
<strong>в</strong>ремя, мы можем утратить <strong>в</strong>озможность сохранения<br />
инно<strong>в</strong>ационного приоритета по сило<strong>в</strong>ым<br />
GaAs-приборам за Россией.<br />
А<strong>в</strong>торы <strong>в</strong>ыражают благодарность одному<br />
из <strong>в</strong>едущих разработчико<strong>в</strong> SiC-приборо<strong>в</strong><br />
<strong>в</strong> России — Шкарапуту Олегу Леонидо<strong>в</strong>ичу<br />
(г. Фрязино, Моск. обл.) за критические замечания<br />
и помощь <strong>в</strong> подгото<strong>в</strong>ке данной статьи.<br />
Таблица 5. Рынок сило<strong>в</strong>ой электроники по используемым материалам<br />
Материал 2010 г., млн $ (%) 2014 г., млрд $ (%) 2020 г., млрд $ (%)<br />
Si* ≥26,9× 10 3 (99,68) 30 (97,9) 33,0 (92)<br />
SiC** ≥52–56 (0,2) 0,3 (1,0) 1,8 (5)<br />
GaAs* ≥25 (0,1) 0,15 (0,5) 2,0 (5,5)<br />
GaN* ≥0,1 (0) ~0,02 (0,06) 0,3 (0,84)<br />
Алмаз* 0,01 (