ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ЛАТЕРАЛЬНЫЙ НИТРИД-ГАЛЛИЕВЫЙ ТРАНЗИСТОР ДЛЯ МАЛОИНДУКТИВНЫХ КАСКОДНЫХ СХЕМ

Настоящая полезная модель относится к высоковольтным латеральным полевым транзисторам на основе нитрида галлия.
Внедрение нитрида галлия (GaN) в электронную промышленность позволяет изготавливать транзисторы с напряжением пробоя более 600 В, которые могут заменять элементы кремниевой электроники в схемах преобразования электроэнергии, повышая эффективность и увеличивая плотность мощности. Сильный пьезоэлектрический эффект вызывает образование двумерного электронного газа с очень высокой концентрацией на гетерогранице GaN/AlGaN, что позволяет достичь очень малых значений сопротивления транзистора в открытом состоянии. Низкое значение произведения сопротивления в открытом состоянии на заряд затвора и отсутствие неосновных носителей заряда позволяют добиться значительного снижения коммутационных потерь.
x
1-x
Доминирующий тип коммерческих высоковольтных нитрид-галлиевых транзисторов - латеральный транзистор с высокой подвижностью электронов (НЕМТ). Базовая конструкция подобных транзисторов описана в известном патенте США [1]. Она включает в себя подложку, буферный слой, слой непреднамеренно легированного GaN, барьерный слой AlGaN, расположенные на барьерном слое контакты истока, стока и затвора.
Обычно латеральные транзисторы на основе AlGaN/GaN гетероструктур работают в режиме истощения (нормально открытый ключ). Для схем преобразования мощности такие транзисторы неудобны, т.к. при переключении на затвор необходимо приложить отрицательное напряжение. Если этого не сделать, то произойдут короткое замыкание и катастрофический отказ схемы.
Один из способов изготовления нормально закрытого силового ключа на основе латерального нитридгаллиевого транзистора - использование каскодной схемы. Пример подобной схемы приведен в известном патенте США [2]. Схема состоит из соединенных последовательно нормально-закрытого низковольтного кремниевого МОП-транзистора и высоковольтного GaN-транзистора с высокой подвижностью электронов. GaN-транзистор изготавливается на кремниевой подложке и включает в себя буферный слой GaN, нелегированный слой AlGaN, легированный кремнием донорный слой AlGaN. На поверхности донорного слоя расположены контакты истока, затвора и стока. Однако использование в одном устройстве двух дискретных транзисторов, изготовленных по различным технологиям, приводит к появлению дополнительных паразитных индуктивностей, связанных с межсоединениями. Эти индуктивности отрицательно влияют на скорость переключения, в то время как высокая скорость переключения является одним из основных преимуществ при использовании GaN-транзисторов. Таким образом, существует необходимость создания конструкции GaN-транзистора, которая минимизирует индуктивности (и паразитные сопротивления) каскодной схемы.
В каскодной схеме можно выделить следующие внутренние паразитные индуктивности: индуктивность сток-исток находится между истоком GaN-транзистора и стоком Si МОП-транзистора, индуктивность исток-затвор - между выводом истока на корпусе и затвором GaN-транзистора, индуктивность исток-исток - между выводом истока на корпусе и истоком Si МОП-транзистора. Индуктивность исток-исток оказывает влияние на протекание тока и на управление Si и GaN транзисторами. Поэтому ее величина наиболее критична для работы схемы. Индуктивность сток-исток является второй по важности индуктивностью, поскольку она влияет на управление и на протекание тока через высоковольтный GaN транзистор, в котором возникают основные потери при переключении. При включении каскодной схемы ток быстро растет. На индуктивностях сток-исток и исток-исток появляется положительное напряжение, равное L⋅di/dt. На низковольтном Si транзисторе индуктивность исток-исток уменьшает потенциал на затворе и в конечном итоге ограничивает максимально достижимую скорость переключения di/dt. Для GaN транзистора напряжение на индуктивностях сток-исток и исток-исток будет действовать как отрицательное напряжение затвор-исток и начнет его отключать, тем самым ограничивая di/dt и увеличивая потери мощности. Еще одна проблема с базовой схемой каскода заключается в том, что она спроектирована как трехконтактная схема для подключения к клеммам истока, стока и затвора во внешней цепи. Однако монтаж схемы в трехконтактный корпус, такой как ТО220, обычно невозможен. Кремниевый МОП-транзистор представляет собой вертикальное устройство, поэтому сток (в нижней части вертикальной конструкции) соединяется с металлической рамкой с выводами и, следовательно, соединяется с одним из контактов корпуса ТО220. Поскольку сток Si МОП-транзистора не является одним из выходных выводов каскодной схемы, это означает, что необходим корпус с 4 или более выводами.
В известном патенте США, принятом нами за прототип, рассматривается многопальцевая (14 пальцев затворов) конструкция латерального GaN-транзистора, включающая в себя буферный слой GaN, слой AlN, барьерный слой AlGaN [3]. Предпочтительная мольная доля Al в барьерном слое менее 0,5. В состав транзистора также входят контакты стока, истока и затвора. Пальцы контактов в топологической ячейке располагаются в следующем порядке: исток, затвор сток, исток, затвор, сток. Контакты истока соединены воздушными мостами. Подобная конструкция GaN-транзистора допускает монтаж на воздушные мосты, соединяющие пальцы контакта истока, вертикального кремниевого МОП-транзистора с расположенным снизу контактом стока. В этом случае радикально уменьшается паразитная индуктивность сток-исток. Недостатками рассматриваемой конструкции транзистора являются низкая механическая прочность воздушных мостов, что может привести к их разрушению при монтаже, невозможность уменьшить паразитную индуктивность исток-исток.
Задача, на решение которой направленно заявленное нами техническое решение, заключается в уменьшении потерь при переключении изготовленного по каскодной схеме нормально закрытого силового ключа на основе нитрид-галлиевого транзистора.
Высоковольтный латеральный нитрид-галлиевый транзистор для малоиндуктивных каскодных схем, состоящий из подложки и последовательно расположенных на ней буферного слоя GaN, спейсерного слоя AlN, барьерного слоя AlGaN, многопальцевых контактов истока, стока и затвора, слоя пассивирующего диэлектрика, отличающийся наличием металлического контакта затвора с обратной стороны подложки, металлизированных переходных отверстий от контакта затвора с лицевой стороны подложки на металлический контакт затвора с обратной стороны подложки, слоя диэлектрика толщиной больше 2 мкм, закрывающего пальцы электродов затвора и стока.
Высоковольтный латеральный GaN транзистор изготавливается на кремниевой подложке. Схематичное сечение латеральной транзисторной структуры показано на фиг. 1, где 1 - металлический контакта затвора с обратной стороны подложки; 2 - кремниевая подложка; 3 - буферный слой GaN; 4 - спейсерный слой AlN; 5 - барьерный слой AlGaN; 6 - пассивирующий диэлектрик; 7 - толстый изолирующий диэлектрик (толщина больше 2 мкм); 8 - пассивация кристалла транзистора; 9 - металлический палец контакта затвора; 10 - металлический палец контакта стока; 11 - контактная металлизация к пальцам контакта истока; 12 - металлический палец контакта истока. Пальцы контактов в топологической ячейке располагаются в следующем порядке: исток, затвор сток, затвор, исток.
На фиг. 2 показан топологический чертеж высоковольтного латерального GaN транзистора, где 13 - многопальцевый металлический контакт затвора с лицевой стороны подложки; 14 - металлизированные переходные отверстия от контакта затвора с лицевой стороны подложки на металлический контакт затвора с обратной стороны подложки.
На фиг. 3 показано сечение переходных отверстий и электродов затвора с лицевой и обратной сторон подложки.
На фиг. 4 показана фотография металлизированного переходного отверстия (14), сделанная с помощью электронного микроскопа.
Технический результат достигается за счет добавления следующих элементов конструкции транзистора:
1. металлический контакт затвора с обратной стороны подложки (1) для монтажа на общий вывод стандартного корпуса типа ТО220,
2. металлизированные переходные отверстия (14) от контакта затвора с лицевой стороны подложки (13) на контакт затвора с обратной стороны подложки (1),
3. слой диэлектрика толщиной больше 2 мкм (7), закрывающий пальцы электродов затвора и стока и служащий опорой для контактной металлизации к пальцам контакта истока.
При вертикальном монтаже кремниевого транзистора, его стоковый вывод через шарики или проводящий клей контактирует с контактной металлизацией к пальцам контакта истока GaN транзистора (11), образуя последовательное соединение GaN и Si транзисторов. Предлагаемая конструкция GaN транзистора обладает достаточной механической прочностью, чтобы выдержать вертикальный способ монтажа без разрушения.
Верхние контакты истока Si транзистора соединяются с контактом затвора GaN транзистора. Соединение с выводом корпуса через переходные отверстия (14) позволяет уменьшить длину межсоединний и, как следствие, паразитные индуктивности исток-исток и затвор-исток.
Реализуемость полезной модели подтверждена изготовлением серии тестовых латеральных GaN транзисторов на кремниевой подложке. Приборная GaN/AlGaN гетероструктура выращивалась методом газофазной эпитаксии. Низкоомные омические контакты к истоку и стоку изготавливаются с помощью последовательного напыления слоев титана, алюминия, никеля и золота и последующего термического отжига при высокой температуре. Затвор формировался электронно-лучевым испарением и осаждением металлизации Ni-Al-Ti по маске фоторезиста с последующим «взрывом» (lift-off). На верхнюю поверхность образца осаждался толстый слой (толщина больше 2 мкм) нитрида кремния. Переходные отверстия изготавливаются с помощью совмещенного плазменного травления в хлорсодержащей плазме.
Пробивное напряжение тестовых латеральных GaN транзисторов было измерено по методике ГОСТ 27264 п. 2.7 и превосходит 400 В. Сопротивление сток-исток в открытом состоянии было измерено по методике ГОСТ 20398.13 и равно 0,2 Ом. Ток утечки в затвор был измерен по методике ГОСТ 20398.6 и равен 1 нА.
Источники информации
1. Патент США № US 5192987 A.
2. Патент США № US 8368120 B2.
3. Патент США № US 7355215 B2 - прототип.