Компания
NexGen Power System Inc. занимается производством вертикальных силовых устройств (
vertical GaN) с использованием гомоэпитаксиальных структур GaN на подложках GaN. Вертикальные устройства GaN способны выполнять переключения с еще более высокой частотой, работая с еще более высокими напряжениями, что позволяет говорить о новом поколении более эффективных силовых устройств.
Вертикальные GaN устройства на 90% компактнее, чем их кремниевые аналоги. При этом емкостные качества устройства напрямую определяются площадью его поверхности. Чем меньше устройство, тем меньше емкость. Чем меньше емкость, тем выше возможная частота переключений. В большинстве типовых применений, особенно в источниках питания, вертикальные GaN структуры обеспечивают на 67% более низкие потери при переключениях, чем структуры Si MOSFET.
Нитрид галлия (GaN) это материал с большой запрещенной зоной, что позволяет таким устройствам работать при более высоких температурах и выдерживать более высокие напряжения, в сравнении с кремниевыми устройствами. Кроме того, более высокие диэлектрические свойства GaN позволяют создавать устройства более тонкие, а следовательно, снижать их сопротивление. И опять же это позволяет говорить и о меньшей емкости.
Выращивание эпитаксиальных слоев с низкой плотностью дефектов на подложках GaN, которые также отличаются низкой плотностью дефектов, позволяет создавать вертикальные силовые устройства с более высокой надежностью при пониженном напряжении и термальных нагрузках, нежели чем "классические" GaN приборы, выпускающиеся на подложках не из GaN.
Вертикальные структуры GaN способны обеспечивать куда большие напряжения пробоя (см. таблицу), что позволяет применять их в самых требовательных приложениях, например, в источниках питания для серверов ЦОД, электромобилях, инверторах в фотовольтаике, в двигателях и высокоскоростных поездах.
Картинка: NextGen Power Systems
Традиционные силовые устройства и латеральные GaN-on-Si
В силовой электронике твердотельные устройства используются в преобразователях и адаптерах питания. Они распространены повсеместно и доступны в самых различных форм-факторах. Большинство преобразователей строятся по схеме импульсных источников питания (SMPS), в них применяются конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы и полупроводниковые переключатели для передачи энергии со входа на выход при другой конфигурации напряжения/тока (рис. 2).
Картинка: NextGen Power Systems
Конденсаторы, индуктивности, трансформаторы, это пассивные и физически крупные компоненты. Чтобы можно было уменьшить размер SMPS они должны работать на высоких частотах. Для этого необходим полупроводниковый коммутатор, превосходящий существующие, создаваемые на основе кремния, которые обычно работают с частотами не выше пары сотен килогерц.
В последние 30 лет кремниевые устройства, такие как MOSFET и IGBT, доминировали на рынке силовых устройств. Но в последние годы существенных сдвигов в развитии этих устройств не наблюдается.
Карбид кремния (SiC) это альтернатива кремниевым устройствам, но GaN обладает более привлекательными фундаментальными свойствами материала.
Современные устройства GaN изготавливаются на гибридных подложках - тонкие слои GaN на кремниевых подложках или на подложках из карбида кремния, это структуры GaN-on-Si или GaN-on-SiC HEMT).
Картинка: NextGen Power Systems
Латеральные GaN-on-Si (или GaN-on-SiC) устройства комбинируют материалы с несовпадающим коэффициентом теплового расширения (CTE), что создает риски надежности и производительности. Кроме того, в типовом устройстве GaN HEMT канал находится очень близко к поверхности (порядка нескольких сотен нанометров), что создает проблемы с пассивацией и охлаждением. В латеральном устройстве GaN-on-Si разделение сток-исток определяет напряжение пробоя устройства. Но чем больше разделены сток и исток, тем выше сопротивление канала, тем меньший ток он может пропустить. Чтобы повысить токонесущую способность, устройство приходится делать шире. Попытки обеспечить одновременно высокие напряжения и токи, приводят к тому, что создаются устройства с большой площадью и, как следствие, с большой емкостью. В итоге, как правило, латеральные устройства ограничены напряжением пробоя порядка 650 В.
Лавинный пробой это ключевое свойство устройств Si и SiC, защищающее их от кратковременных перенапряжений. Отсутствие p-n-переходов в латеральных HEMT структурах на GaN-on-Si предотвращает лавинный пробой. Кроме того, HEMT на основе GaN-on-Si сложно охлаждать сверху из-за чувствительности структуры к расположенным поблизости токопроводящим поверхностям. Буферные слои, отделяющие подложку из Si от слоя GaN, ограничивают эффективность охлаждения и снизу. В результате зачастую приходится создавать специальные корпуса, обеспечивающие эффективное охлаждение HEMT на GaN-on-Si, что приводит к росту стоимости соответствующих приборов.
Силовые приборы на базе вертикальных GaN структур
Если для приборов GaN-on-Si характерно несоответствие кристаллических решеток, что снижает их надежность, то в ситуации, когда устройства GaN выращиваются на подложках GaN решетки идеально согласованы, ведь это один и тот же материал. То есть на толстой подложке GaN можно эпитаксиально выращивать очень толстые слои GaN, что позволяет создавать устройства, способные работать с очень высокими напряжениями.
Технология вертикального GaN позволяет раскрыть потенциал превосходных свойств материала GaN, поскольку она основана на подходе эпитаксиального выращивания GaN на подложках GaN. В вертикальных устройствах GaN задействованы три пространственных измерения. Более высокое напряжение пробоя обеспечивается за счет увеличения дрейфующего слоя (drift layer) и способности обеспечить низкое значение RDS(on)/ток, что достигается увеличением площади устройства. В 3D-устройстве разрушается зависимость напряжения пробоя и токопроводящие способности RDS(on).
Высокая частота коммутации Vertical GaN позволяет применить новые алгоритмы управления, создавая приборы в меньшем форм-факторе и при этом более энергоэффективные.
Картинка: NextGen Power Systems
На рисунке показаны структуры полевого транзистора с вертикальным переходом на базе GaN в режиме улучшения (eJFET) и транзистора с высокой подвижностью электронов GaN-on-Si (HEMT). NexGen Power Systems заявила, что она смогла добиться толщины дрейфа более 40 мкм, что позволяет создавать диоды с напряжением пробоя более 4000 В и транзисторы с удельным сопротивлением 2.8 мОм на кв.см. При той же токопроводящей способности вертикальный размер устройств GaN примерно в 6 раз меньше, чем у 650-вольтовой структуры GaN-on-Si HEMT, но новые устройства обладают намного большим напряжением пробоя в 1200 В. Кроме того, GaN eJFET обладает способностью лавинного пробоя, что защищает устройство при превышении расчетного напряжения пробоя.
Картинка: NextGen Power Systems
Вертикальные GaN устройства основаны на токопроводимости дрейфового слоя, который находится в объеме транзистора. А значит в них не действует механизм динамического изменения RDS(on), создающийся зарядами, захваченными из-за примесей на поверхности интерфейса. Расширение области истощения диода затвор-исток на весь канал позволяет управлять током между стоком и истоком. В ситуациях, когда превышается напряжение пробоя, лавинный рост тока вначале проходит через обратно поляризованный диод затвор-исток, а в результате повышается напряжение затвор-исток, что открывает канал. Из-за небольшой выходной емкости потери при переключениях структуры очень малы. В отличие от латеральных GaN-устройств, тепло оптимально передается через однородный материал - непосредственно в раму прибора, которая может быть и сверху и снизу устройства.
Разработчики отмечают, что к преимуществам прибора относится его простота. Здесь только p-n переходы, нет ни двумерных электронных газов, ни сложных сэндвичей из различных материалов. Возможность лавинного пробоя eJFET гарантирует отсутствие разрушений при пробоях. Поскольку ток проводит весь объем устройства, а не только поверхностный слой, может быть поглощена значительная часть энергия во время кратковременного пробоя, затем устройство восстанавливается и работает в обычном режиме - по-сути, можно говорить о встроенном механизме безопасности и более высокой надежности устройств eJFET.
Картинка: NextGen Power Systems
Использование вертикального GaN в силовых цепях
Разработка NexGen - вертикальный GaN FET это переходной полевой транзистор (JFET) во-многом схожий с FinFET, используемым в устройствах с кремниевой логикой.
Разница напряжения между затвором и истоком (VSG) управляет током между стоком и истоком. Если VSG ниже порогового напряжения (Vt), канал JFET закрыт. Когда VSG оказывается больше, чем Vt, канал открывается и ток может течь между истоком и стоком. Ток течет в объеме устройства. Подвижность электронов высока и в сочетании с меньшей емкостью p-n-переходов создает устройство с очень небольшой выходной (Coss) емкостью. Это позволяет устройства эффективно работать на высоких частотах, что позволяет применять их в приложениях, где частота переключений превышает 1 МГц.
Симметричность конструкции JFET позволяет истоку и стоку обмениваться функциональностью, то есть если напряжение, подаваемое на сток падает ниже напряжения на истоке, то ток в канале может течь и в противоположном направлении. Это схоже с поведением интегрированного диода (body diode) в структурах Si MOSFET, но без потерь и потенциальных проблем с надежностью, связанных с удалением механизма восстановления заряда.
За счет этого вертикальные GaN eJFET приборы NexGen могут управляться хорошо зарекомендовавшими себя и рентабельными стандартными недорогими драйверами Si MOSFET Si с незначительными изменениями существующих конструкций. Это обещает возможность быстрой адаптации новых приборов.
Картинка: NextGen Power Systems
Технология NexGen Vertical GaN сочетает такие свойства, в отношении которых ранее считалось, что их невозможно получить в одном устройстве. Благодаря этому существенно расширен потенциал этой технологии - в самых разных устройствах, автомобильной электронике, бытовой, фотовольтаике, двигателях, ЦОДах и т.п. Технология позволяет обеспечить более низкие потери при более высоких частотах переключения, а также большую устойчивость за счет возможности лавинного пробоя, при этом устройства конкурентоспособны с их аналогами на основе кремниевых технологий.
В частности, разработчики приводят такой пример: "В стойке ЦОД есть полки, зарезервированные под блок питания, который обеспечивает преобразование переменного тока в постоянный. Мы можем уменьшить размер этого блока на 50%. Если речь идет о 30 кВт стойке, обычно 11U выделяются на питание, а 31U могут быть задействованы под сервера. Переходя на более высокие частоты в преобразователях питания, можно сократить размеры блоков питания с 11U до 5U, что означает что освободившиеся 6U можно также задействовать под сервера, а в сумме нарастить вычислительную плотность в ЦОД на 20%.
Кроме того, технологию и приборы Vertical GaN можно использовать в самых разных приложениях управления мощностью, применяя их там, где сейчас для решения приходится применять различные технологии.
Источник:
https://www.eetimes.com/vertical-gan-devices-the-next-generation-of-power-electronics/
----
Подписывайтесь на телеграм-канал RUSmicro
