National Research Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST) (이하 "AIST"), 선임 연구원 Nakajima Akira 및 연구팀의 책임자 인 Harada Shinsuke는 광범위한 밴드 GAP Semiconductor질화 갈륨사용 (Gan)고전자 이동성 바카라 사이트지스터and실리콘 카바이드사용 (sic)PN 다이오드|monolithicTranstor의 세계 최초의 성공적인 생산 및 시연 프로토 타입 GAN 및 SIC 장치를 결합 할 수있는 고유 한 통합 제조 공정 라인의 구성으로 인해 하이브리드 바카라 사이트지스터가 실현되었습니다 프로토 타입 하이브리드 바카라 사이트지스터는 낮으며 이는 GAN의 특징입니다온 저항SIC 다이오드로 입증 된 비파괴Subakuha달성되었습니다 결과적으로, 하이브리드 바카라 사이트지스터는 전기 자동차, 태양열 발전을위한 전력 컨디셔너 및 유사한 신뢰성이 필요한 것으로 적용될 것으로 예상됩니다 향후, 우리는 장치 제조 공정을 더욱 최적화하고 실제 사용을 향한 격차를 해소하는 것을 목표로합니다
이 기술의 세부 사항은 67 번째 연례 IEEE International Electron Devices 회의에서 미국 샌프란시스코에서 개최 될 67 번째 연례 IEEE International Electron Devices 회의에서 2021 년 12 월 11 일부터 15 일까지 열릴 예정입니다
100mm 직경 웨이퍼에 형성된 하이브리드 유형 바카라 사이트지스터 및 해당 회로
최근 몇 년 동안 지구 온난화 문제는 점점 더 심각해졌으며 사회 전반 에너지를 절약하는 것이 시급합니다 전력 에너지 전환 및 제어전원 변환기가정 기기 및 산업 장비를 포함하여 전기 에너지를 사용하는 모든 장치에서 에너지 절약을 허용하는 중요한 장치입니다 2050 년에 탄소 중립성을 실현하려면 전기 자동차와 태양열 발전을 위해 전기 자동차와 태양열 발전이 필요하며, 이러한 시스템에 사용되는 전력 변환기는 현재보다 더 큰 효율, 더 작은 크기 및 더 높은 신뢰성이 필요합니다 따라서 전력 변환기에 사용되는 전력 바카라 사이트지스터에는 추가 기술 혁신이 필수적입니다
전력 바카라 사이트지스터가 전력 변환 회로에서 전기 스위치로 사용되므로 다음 세 가지 성능이 필요합니다
① 고효율 전력 변환을 달성하기 위해 스위치 온 상태에서 전도 손실을 줄이기위한 저항력이 낮습니다
② 스위칭 손실을 줄이기 위해 빠른 켜기 및 끄기 스위칭 성능
③ 전력 변환 회로의 비정상 작동 중 소음 에너지 원으로 역할
③에서 오프 상태에 과전압이 적용될 때 바카라 사이트지스터는 비파괴 적 분해를 유발하고 열 에너지로 소음 에너지를 흡수하여 전력 변환기의 신뢰성을 보장합니다
실리콘 (SI) 바카라 사이트지스터, 현재 전력 바카라 사이트지스터의 주류, 1 ~ 3의 성능은 거의 재료의 한계에 도달했습니다 따라서 GAN 및 SIC와 같은 광역 갭 반도체를 사용한 전력 바카라 사이트지스터의 연구 및 개발은 SI의 한계를 초과하는 기술로 수행되었습니다 무화과 도 1은 종래의 GAN 고 전자 이동성 바카라 사이트지스터의 단면 구조를 보여준다 (이하 "GAN 바카라 사이트지스터") 높은 전자 이동성 바카라 사이트지스터는도 1에 도시 된 바와 같이 소스 전극 (들)과 배수 전극 (d) 사이의 pn 접합에 존재하지 않는다 1바디 다이오드사용할 수 없습니다 이러한 이유로, 간 바카라 사이트지스터는 ① 및 ②와 같은 우수한 이점을 가지고 있지만, ③의 고유 한 약점은 작아서 광범위한 사용을 방해합니다
그림 1 기존 GAN 바카라 사이트지스터의 구조
기존의 SI 바카라 사이트지스터의 경우,MOS 유형 필드 효과 바카라 사이트지스터|라는 구조 채택되고, Pn 다이오드 (이하 "바디 다이오드"라고 함)는도 1의 동등한 회로로 표시됩니다 2 (a)는 안티 파언트로 연결됩니다 무화과 3은 SI 바카라 사이트지스터의 꺼짐 상태의 전류-전압 특성을 보여줍니다 비정상적인 작동으로 인해 과전압이 바카라 사이트지스터에 적용되는 경우, 차체 다이오드는 비파괴가됩니다Avalanche 항복가 발생하고 노이즈 에너지는 열 에너지로 흡수됩니다
위에서 언급 한 바와 같이, GAN 바카라 사이트지스터에는 고자사 이동성 바카라 사이트지스터에 고유 한 장치 구조로 인해 바디 다이오드가 없습니다 따라서,도 1에 도시 된 바와 같이 2 (b), 노이즈에 대한 탈출 지점이 없으며 장치는 약간의 노이즈로 파괴됩니다 따라서,도 1에 도시 된 바와 같이 2 (c), 우리는 GAN 바카라 사이트지스터와 SIC 다이오드가 동일한 기판에 적어도 형성되는 하이브리드 바카라 사이트지스터의 연구 및 개발을 수행했다 (이하 "모 놀리 식화")
그림 2 바카라 사이트지스터의 동등한 회로 (a) Si 유형, (b) Gan 유형, (c) 하이브리드 유형
그림 3 SI 및 GAN 바카라 사이트지스터의 고장 특성의 개략도
하이브리드 간과 SIC 바카라 사이트지스터를 실현하려면 GAN과 SIC를위한 프로토 타입 장치 환경이 필요했습니다 그래서 우리는입니다Tia의 개방형 혁신 허브 중 하나 인 SIC 전원 장치 용 100mm 프로토 타입 라인은 SIC 및 GAN의 공유 프로토 타입 라인으로 출시되었으며 프로토 타입 하이브리드 바카라 사이트지스터를 생성했습니다 이번에는 개념 증명으로 소규모 장치 (약 20 MA의 전류)의 작동을 성공적으로 구성하고 확인했습니다 무화과 도 4는 프로토 타입의 개략도 단면을 보여준다 먼저, siC 기판에서 p- 타입 sicepitaxial결정적으로 영화를 재배합니다 다음,ION 이식에 의해 형성되었다 또한, 그 위에는 간 에피 탁스 필름이 있으며Algan3 개의 필름, 장벽 필름 및 GAN 캡 필름은 에피 택셜로 성장하여 GAN 바카라 사이트지스터 구조를 제작했습니다 이러한 방식으로, SIC 다이오드 및 간 바카라 사이트지스터는 모 놀리 식으로 성공적으로 변환되었다 P+-타입 SIC의 양극 전극 (a) 및 알간 배리어 층의 소스 전극 (들)은 연결되었고, 알간 장벽 층의 N- 타입 SIC 및 배수 전극 (d)의 캐소드 전극 (c)이 3 개의 말단 하이브리드 바카라 사이트지스터를 초래 하였다
그림 4 이번에 개발 된 하이브리드 바카라 사이트지스터의 구조
그림 5 (a)는 오프 상태에서 프로토 타입 하이브리드 바카라 사이트지스터의 수율 특성의 평가 결과를 보여줍니다 일반적으로 Gan 바카라 사이트지스터에서는 요소가 고장되면 즉시 파괴됩니다 대조적으로, 하이브리드 바카라 사이트지스터에서 우리는 제조 된 SIC 측의 내용 전압은 GAN보다 약간 낮게 설계되어 SIC 다이오드에서 비파괴 적 눈사태 분해를 초래했다 파괴 전압은 약 12kV입니다 또한, 비파괴적인 눈사태 수율이 얻어졌고, 안정적인 가역적 수율 조치가 여러 스윕에 대해 확인되었다 한편, 상태의 현재 에너지 화 특성은 그림에 도시되어있다 5 (b) 높은 이동성2D 전자 가스를 통한 전류가 흐르기 때문에, 300 ma/mm의 높은 배수 전류와 47 Ωmm의 낮은 저항이 확인되었다 이러한 방식으로, GAN 바카라 사이트지스터의 저항성 특성이 낮은 것 외에도, 비파괴 적 분해 작업을 수행하는 하이브리드 바카라 사이트지스터가 입증 될 수있다 또한, SIC는 SI보다 3 배 더 높은 열전도율을 가지므로 하이브리드 바카라 사이트지스터는 우수한 열 소산 특성을 제공합니다 따라서이 장치 기술은 차세대 전력 변환기의 효율성과 신뢰성을 향상시킬 것으로 예상됩니다
그림 5 (a) 오프 상태에서의 수율 특성 및 (b) 국가의 저항 특성에 대한 평가 결과
우리는 실제 변환기에서 사용할 수있는 대형 지역 장치 (최소 10 a)의 작동을 시연하기 위해 노력할 계획입니다 성공적으로 입증 된 하이브리드 바카라 사이트지스터 외에도 SIC 및 GAN Fusion 기술에 대한 많은 가능성이 있습니다 우리는 다양한 아이디어와 대량 생산 프로토 타입에 대한 개념 증명 사이의 교량에 기여할 것이며, 기업 협업 연구를 적극적으로 탐색 할 것입니다
게시 된 잡지 :제 67 회 IEEE 국제 전자 장치 회의에서 기술 다이제스트
논문 제목 : 12 kV gan/sic 기반 하이브리드 하이브리드 전자 이동성 바카라 사이트지스터가 비파괴 적 분해
저자 : A Nakajima, H Hirai, Y Miura 및 S Harada