Монолитная интеграция диода Шоттки с GaN-транзистором снизила напряжение обратной проводимости на 41%
У транзисторов на нитриде галлия высокое напряжение открывания в обратном направлении, и встроенный диод Шоттки заметно улучшает дело. Группа из Юго-Восточного университета объединила на одном кристалле MIS-HEMT и диод с двумя каналами: напряжение упало до 1,55 В, а напряжение пробоя выросло до 860 В.
Свойства обратной проводимости в режиме свободного хода могут быть важны для работы преобразователя. У транзисторов с высокой подвижностью электронов на нитриде галлия (GaN HEMT) напряжение открывания в обратном направлении сравнительно велико, и добавление встроенного диода с барьером Шоттки заметно улучшает характеристики.
Улучшение обратной проводимости с помощью диодов Шоттки
У MOSFET на карбиде кремния и у GaN HEMT напряжение открывания в обратном направлении V_RF обычно превышает 2 В. Отрицательное напряжение на затворе, которым обеспечивают надёжное запирание при быстром переключении, способно поднять V_RF ещё выше. Встречно-параллельный диод Шоттки улучшает работу силового ключа сразу с нескольких сторон.
Будучи униполярным, диод Шоттки не страдает от потерь обратного восстановления, которые есть у обычного диода с p-n переходом и у встроенного диода MOSFET. Меньшая нагрузка обратного восстановления на дополняющий ключ снижает потери при его включении, и это преимущество диодов Шоттки растёт с температурой, поскольку потери обратного восстановления увеличиваются.
В течение «мёртвого времени» потери проводимости на диоде свободного хода или на самом силовом приборе, проводящем в обратном направлении, могут быть значительными. Меньшее напряжение открывания и меньшее динамическое сопротивление открытого канала снижают потери и дают больше свободы в выборе «мёртвого времени». Диоды Шоттки с напряжением открывания около 1 В способны заметно поднять общий КПД преобразователя. Кроме того, они уменьшают помехи при переключении, связанные с выбросами напряжения от обратного восстановления.
Диоды Шоттки на гетеропереходе AlGaN/GaN
Как и в самом транзисторе, гетеропереход AlGaN/GaN можно применить в диоде Шоттки, создав канал с двумерным электронным газом. Омический контакт к этому каналу образует катод диода, а контакт Шоттки на слое AlGaN — анод. Высокая подвижность носителей в двумерном электронном газе позволяет получить диоды Шоттки с малым сопротивлением открытого канала.
Многие группы оптимизировали такой полевой диод Шоттки разными средствами: двойным металлом анода для улучшения V_RF, охранным краевым переходом с затвором для снижения обратной утечки, утопленным анодом. Изготовление полевого диода Шоттки лучше согласуется со стандартными шагами производства GaN HEMT и потому хорошо подходит для монолитного объединения двух приборов, что избавляет от паразитных индуктивностей, возникающих при размещении их в двух корпусах. Хотя у GaN HEMT потерь обратного восстановления нет из-за отсутствия встроенного диода, улучшение V_RF и динамического сопротивления при проводимости в третьем квадранте позволяет снизить потери «мёртвого времени».
Монолитное объединение полевого диода Шоттки с MIS-HEMT
Шэн Ли с коллегами из Национального инженерно-исследовательского центра систем на заказных микросхемах Юго-Восточного университета и компании CorEnergy Semiconductor, обе в Китае, предложили новый способ объединения полевого диода Шоттки на AlGaN/GaN с транзистором, у которого затвор отделён изолятором (MIS-HEMT).
Транзистор MIS-HEMT выращен над слоями диода. В нём применены затвор на оксиде алюминия (Al2O3), барьерный слой AlGaN и канальный слой GaN. Показанный диод состоит из двух гетеропереходов AlGaN/GaN, которые образуют параллельное соединение двух каналов с двумерным электронным газом. Вместе с каналом MIS-HEMT это даёт в режиме обратной проводимости в третьем квадранте три параллельных канала, а значит, меньшее сопротивление открытого канала у объединённого прибора.
Барьер из AlN между дрейфовой областью MIS-HEMT и верхним каналом диода не позволяет толстому буферному слою GaN транзистора (толщиной D_ch1) ослабить поляризацию в этом канале. Толщина D_ch1 и расстояние d между экранирующим слоем AlN и верхним слоем AlGaN диода — главные настройки при оптимизации прибора. Вертикальный омический контакт соединяет контакт стока транзистора с катодом диода.
Компромиссы при оптимизации прибора
Компромисс в конструкции диода Шоттки состоит в том, чтобы получить малое V_RF в открытом состоянии, сохранив малую обратную утечку и высокое напряжение пробоя.
Толщина D_ch1 и расстояние d. Хотя объединение с полевым диодом Шоттки заметно улучшает обратную проводимость по сравнению с одним MIS-HEMT, показано, что параметрами D_ch1 и d можно настраивать равновесие между сопротивлением открытого канала в обратном режиме, напряжением пробоя, напряжением открывания V_RF и обратной ёмкостью C_gd. При заданной толщине D_ch1 = 0,8 мкм значение d = 0 даёт меньшее V_RF, чем d = 0,1 мкм. Более того, при d = 0,1 мкм напряжение пробоя получается очень низким по сравнению с d = 0. Моделирование показывает, что большее d заводит больше электронов во второй канал с двумерным электронным газом, то есть в верхний канал диода, что усиливает проводимость между стоком и истоком и тем снижает напряжение пробоя. Большая толщина D_ch1 даёт чуть большую ёмкость C_gd при малых напряжениях на стоке, но при высоких напряжениях этим можно практически пренебречь.
Работа выхода металла Шоттки. Работа выхода — энергия, нужная для удаления электрона с поверхности металла, то есть разность между уровнем вакуума и уровнем Ферми, — задаёт высоту барьера к полупроводнику. Катод и исток объединённого прибора имеют смешанный тип: и Шоттки, и омический. Меньшая работа выхода, например 5,1 эВ, даёт очень малое V_RF, но за счёт большой обратной утечки. Большая работа выхода (свыше 5,7 эВ) помогает получить малую обратную утечку при чуть большем V_RF. Оптимизировать работу выхода нужно вместе с толщинами слоёв.
Результаты
В исследовании взята оптимизированная структура с D_ch1 = 0,3 мкм, d = 0 и работой выхода металла Шоттки 6,35 эВ.
Объединение с многоканальным полевым диодом Шоттки снижает напряжение проводимости в третьем квадранте V_RF до 1,55 В — это улучшение на 41% — и соответственно уменьшает сопротивление открытого канала в этом режиме. Другое важное преимущество — выросшее до 860 В напряжение пробоя объединённого прибора, которое получается благодаря лучшему обеднению носителями в закрытом состоянии при показанной схеме контактов. При этом добавление диода не влияет на прямые характеристики MIS-HEMT — ни на пороговое напряжение, ни на сопротивление открытого канала.