«Современная электронная компонентная база на основе арсенида галлия» Тел. (834) Докладчик: Зам. технического директора по техническому развитию и инновациям С. Н. Кузнецов

GaAs – материал, сочетает преимущества Si (технология получения, формирование приборных структур) и SiC – широкий диапазон рабочих температур (до 250 o C), широкий диапазон рабочих частот – десятки и сотни ГГц, вполне оправданно занимает нишу между Si и SiC. Не претендуя на замену ни Si, ни SiC, GaAs позволяет достаточно технологично и относительно недорого изготавливать широкую гамму полупроводниковых приборов, начиная от самых маломощных и, заканчивая, силовыми полупроводниковыми приборами. Быстродействие полупроводниковых приборов на GaAs на примере такого параметра как «Время восстановления обратного сопротивления» силовых диодов может составлять единицы нс без радиационной обработки.

Профиль концентрации примесей в GaAs p-i-n – структуре

Использование современного аналитического оборудования обеспечивает высококачественный анализ структуры, изготавливаемых кристаллов GaAs p-i-n – диодов (профилометр CVP 21 )

Электрические параметры диодов на основе GaAs (в сравнении с Si - диодами и SiC – диодами Шоттки ) Наименование параметра Режим измеренияSi*GaAsSiC* 1 Обратное напряжение U RRM, (В) I RRM 100 мкА600 2 Максимальный рабочий ток I F, (А) 15,0 3 Прямое напряжение U F, В T J = 150 C I F = I F max 1,11,51,7 4 Время обратного восстановления t rr, (нс) T J = 150 C I F = 1 А; di/dt= 200 А/мкс U RRM = 200 В 8035< 10 5 Емкость перехода С J, пФ U R = 0 В; U R = 200 В Максимальная температура кристалла, o C Относительная стоимость (относительно кремниевых диодов) 1,01,55,0 * Использованы материалы передовых фирм: Кремниевые UFRED – HFA08TB60 (International Rectifier, США) SiC ДШ – IDC08S60C (Infineon, Германия) и C3D08060G (Cree, США)

Кристаллы диодов АД6101Б (1,4X1,4 мм, I max =1 А) и АД6106Б (7,0X7,0 мм, I max =50 А)

GaAs диоды в корпусе КТ-111А

Электрические параметры GaAs диодов в корпусе КТ-111А (основание корпуса - изолированное), - прямые токи – до 3 А, - прямые напряжения – не более 1,8 В на токе 3 А, - обратные напряжения – от 600 до 1000 В, - время обратного восстановления – от 20 до 60 нс, - рабочий диапазон температур – от минус 60 o C до +250 o C, - тепловое сопротивление «Переход-корпус» – не более 80 o C/Вт

GaAs диоды в корпусе КТ-28 (ТО-220) 9

Электрические параметры GaAs диодов в корпусе КТ-28 (ТО-220) 10 - прямые токи – до 15 А, - прямые напряжения – не более 2,0 В на токе 15 А, - обратные напряжения – от 600 до 1000 В, - время обратного восстановления – от 20 до 70 нс, -рабочий диапазон температур – от минус 60 o C до +150 o C - тепловое сопротивление «Переход-корпус» – не более 15 o C/Вт

GaAs диоды в корпусе КТ-93-1 (SMD-0,5) 11

Электрические параметры GaAs диодов в корпусе КТ-93-1 (SMD-0,5) 12 - прямые токи – до 15 А, - прямые напряжения – не более 2,0 В на токе 15 А, - обратные напряжения – от 600 до 1000 В, - время обратного восстановления – от 20 до 70 нс, - рабочий диапазон температур – от минус 60 o C до +250 o C, - тепловое сопротивление «Переход-корпус» – не более 10 o C/Вт

Динамические характеристики GaAs – диодов, производства ОАО «Орбита» (в сравнении с Si - быстровосстанавливающимися диодами) __Jпр__ Jобр.вос. Tj=125 0 C Tj=25 0 C Tj=150 0 C t, нс Время обратного восстановления Si – диод (БВД) GaAs – диод (p-i-n - диод) 13

Время обратного восстановления GaAs p-i-n – диодов (I F =1 А, U R =20 В, T=25 o C) диода t RR, нс диода t RR, нс t RR, нс Ср. 54,5

Обратная ветвь ВАХ диода АД6108Б

Электрические параметры быстродействующих GaAs- диодов, производства ОАО «Орбита» (в сравнении с диодами на основе Si и SiC) Исходный материалSiSiCGaAs Прибор (фирма) ________________________________________ Электрические параметры LXA15T600 (Фирма «Power Integrations») Диод Шоттки SDT12S60 («Infineon») Диод («Орбита») Максимальное обратное напряжение, В600 Максимальный постоянный прямой ток, А При Т=+100 °С При Т=+175 °С Максимально прямое напряжение, В (I F =15 А) При Т=+25 °С При Т=+125 °С 3,1 2,8 1,8 2,0 1,8 Время обратного восстановления, нс (di/dt=200 А/мкс; 200 В, 15 А) При Т=+125 °С При Т=+150 °С Ёмкость перехода, пФ (f=1,0 МГц) U R =0 В U R =600 В Частота коммутации, МГц 3,02,05,0 Максимальная рабочая температура, °С

- малых габаритов устройств при неизменных рабочих напряжениях и токах, за счёт перехода на более высокие частоты преобразования; - меньших потерь активной мощности, обусловленных протеканием обратных токов в GaAs диодах; - высокой эффективности преобразовательных устройств за счёт быстрого восстановления обратного сопротивления GaAs диодов. Разработанные высоковольтные, высокотемпературные, быстродействующие GaAs- диоды имеют низкие значения времени t rr во всём диапазоне рабочих температур кристалла (-60÷250 о С). К дополнительным достоинствам следует отнести малую ёмкость диодной структуры, слабо зависимую от обратного напряжения. Разработаны быстродействующие, высоковольтные, высокотемпературные GaAs-диоды, позволяющие достигнуть в преобразовательных устройствах следующих результатов :

Испытания чипов и приборов p-i-n GaAs диодов показали следующее: 1 P-i-n GaAs диоды показали высокую устойчивость к лавинному пробою (энергостойкость); 2 P-i-n GaAs диоды показали высокие эксплуатационные характеристики и работоспособность при температуре окружающей среды +250 o С и продемонстрировали возможность работы в экстремальных условиях (в два раза выше требований военных стандартов «Климат-7» и стандарта США MIL- STD-883); 3Результаты проведённых испытаний p-i-n GaAs диодов указывают на реальную возможность широкого применения полупроводниковых приборов на основе GaAs в области силовой, быстродействующей, высокотемпературной электроники.

Биполярные гетеротранзисторы на основе структур AlGaAs/GaAs Формирование встроенного поля в базе за счет изменения состава – уменьшение времени пролета Плавное изменение состава на границе эмиттер-база Резкое изменение состава на границе эмиттер-база «Сшивание» Физической структуры

Постановка задачи Одной из актуальных задач, с научной, технико-технологической и коммерческой точек зрения, является создание высококачественных высоковольтных СВЧ- транзисторов, работающих в сантиметровом диапазоне длин волн с возможностью применения во вторичных источниках питания. Разработка и изготовление подобных быстродействующих транзисторов возможна на основе AlGaAs/GaAs – гетеротранзисторных структур.

П араметр ы AlGaAs/GaAs гетероструктурных n-p-n - транзистор ов Статический коэффициент передачи тока в схеме ОЭ при U КБ = 5 В, I Э = 1 А >20 Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме ОЭ при U КБ = 5 В, I К = 50 мА > 4 МГц Граничное напряжение при I Э = 0,1 А В Напряжение насыщения коллектор-эмиттер при I К = 1 А, I Б = 0,08 А < 0,5 В Напряжение насыщения база-эмиттер при I К = 1 А, I Б = 0,08 А < 1,2 В Время включения при U КЭ = 150 В, I К = 1 А, I Б = 0,08 А

Кристаллы AlGaAs/GaAs – гетероструктурных n-p-n - транзисторов

AlGaAs/GaAs – гетероструктурные n-p-n – транзисторы в корпусе КТ-111

Выходная ВАХ (I C (U CE )) AlGaAs/GaAs – гетероструктурного n-p-n - транзистора

Переключательная характеристика AlGaAs/GaAs – гетероструктурного n-p-n – транзистора (длительность импульса 1 мкс)

Переключательная характеристика быстродействующего Si n-p-n – транзистора (длительность импульса 1 мкс)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Проводимые разработки позволяют существенно расширить спектр быстродействующих полупроводниковых приборов и технологий гетероструктур для современных приборов твердотельной СВЧ- электроники (биполярные гетеротранзисторы, резонансно- туннельные диоды и т. п.)