Исследование и разработка силовых микросборок на основе GaN/SiC диодов и GaN/Si транзисторов, а также интегральных схем на основе GaN/SOI для высокоплотных DC-DC преобразователей электрической энергии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Полынцев Егор Сергеевич

• Полынцев Егор Сергеевич
• кандидат наук
• 2026

Оглавление диссертации кандидат наук Полынцев Егор Сергеевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Глава 1. Литературный обзор

1.1 Силовая GaN электроника

1.2 Дискретная силовая GaN электронная компонентная база

1.2.1 Силовые GaN диоды Шоттки

1.2.2 Силовые GaN транзисторы с высокой подвижностью электронов

1.3 Гибридные силовые GaN микросборки

1.4 Монолитные силовые GaN интегральные схемы

1.5 Высокочастотные высокоплотные DC-DC преобразователи

1.6 Выводы

Глава 2. Методы исследования

2.1 Методики разработки объектов исследования

2.1.1 Методика разработки силовых GaN диодов Шоттки

2.1.2 Методика разработки гибридной силовой GaN микросборки

2.1.3 Методика разработки монолитной силовой GaN интегральной схемы

2.1.4 Методика разработки высокоплотного DC-DC преобразователя

2.2 Методики моделирования объектов исследования

2.2.1 Методика моделирования силовых GaN диодов Шоттки

2.2.2 Методика моделирования гибридных силовых GaN микросборок

2.2.3 Методика моделирования монолитной силовой GaN интегральной схемы

2.2.4 Методика моделирования высокоплотного DC-DC преобразователя

2.3 Методики изготовления экспериментальных образцов

2.3.1 Технология изготовления силовых GaN диодов Шоттки

2.3.2 Технология изготовления гибридных силовых GaN микросборок

2.3.3 Технология изготовления силовой GaN монолитной интегральной схемы

2.3.4 Технология изготовления высокоплотного DC-DC преобразователя

2.4 Методики исследований экспериментальных образцов

2.4.1 Методика измерения электрических характеристик силовых GaN диодов Шоттки

2.4.2 Методика измерения электрических характеристик и тепловых параметров гибридной силовой GaN микросборки

2.4.3 Методика измерения электрических характеристик высокоплотного

DC-DC преобразователя

Глава 3. Исследование и разработка низковольтных силовых GaN/SiC диодов Шоттки

3.1 Разработка концепта и требований к силовым GaN/SiC диодам Шоттки

3.2 Экспериментальное исследование влияния конструкционных параметров

однопальцевых низковольтных силовых GaN/SiC диодов на их электрические характеристики на постоянном токе

3.2.1 Влияние материала контакта Шоттки и глубины поданодного рецесса на электрические характеристики однопальцевых диодов Шоттки

на постоянном токе

3.2.2 Влияние расстояния анод-катод на электрические характеристики однопальцевых диодов Шоттки на постоянном токе

3.2.3 Влияние длины полевых электродов на электрические характеристики однопальцевых диодов Шоттки на постоянном токе

3.3 Разработка конструкции и топологии многопальцевого низковольтного силового

GaN/SiC диода Шоттки

3.4 Верификация электрических характеристик и исследование тепловых параметров

многопальцевого низковольтного силового GaN/SiC диода Шоттки

3.4.1 Верификация электрических характеристик многопальцевого низковольтного силового GaN/SiC диода Шоттки

3.4.2 Исследование тепловых параметров многопальцевого низковольтного силового GaN/SiC диода Шоттки

3.5 Выводы

Глава 4. Разработка и исследование гибридной силовой GaN микросборки

4.1 Разработка концепта и требований к гибридной силовой GaN микросборке

4.2 Разработка гибридной силовой GaN микросборки и выбор ее базовых компонентов

4.3 Создание гибридной силовой GaN микросборки

4.4 Исследование и верификация гибридной силовой GaN микросборки

4.4.1 Исследование и верификация электрических характеристик гибридной

силовой GaN микросборки

4.4.2 Исследование и верификация тепловых параметров гибридной силовой

GaN микросборки

4.5 Выводы

Глава 5. Разработка монолитной силовой GaN интегральной схемы

5.1 Разработка концепта и требований к монолитной силовой GaN интегральной схеме

5.2 Разработка архитектуры и выбор базовых компонентов монолитной силовой

GaN интегральной схемы

5.3 Разработка принципиальной электрической схемы и топологии монолитной

силовой GaN интегральной схемы

5.3.1 Разработка и моделирование принципиальной электрической схемы монолитной силовой GaN интегральной схемы

5.3.2 Разработка топологии монолитной силовой GaN интегральной схемы

5.4 Верификация теплового режима работы монолитной силовой GaN интегральной

схемы и оптимизация ее топологии

5.5 Выводы

Глава 6. Разработка и исследование высокоплотного DC-DC преобразователя

на основе гибридных силовых GaN микросборок

6.1 Разработка концепта и требований к высокоплотному DC-DC преобразователю

6.2 Разработка архитектуры и ключевых компонентов высокоплотного

DC-DC преобразователя

6.2.1 Выбор схемотехники и разработка архитектуры высокоплотного

DC-DC преобразователя

6.2.2 Разработка специализированных гибридных силовых GaN микросборок

для применения в составе высокоплотного DC-DC преобразователя

6.2.3 Разработка планарного трансформатора и выбор его сердечника

6.3 Разработка высокоплотного DC-DC преобразователя

6.3.1 Разработка, моделирование и оптимизация принципиальной

электрической схемы высокоплотного DC-DC преобразователя

6.3.2 Разработка планарного трансформатора

6.3.3 Разработка печатной платы высокоплотного DC-DC преобразователя

6.4 Создание, исследование и верификация высокоплотного DC-DC преобразователя

и его ключевых компонентов

6.4.1 Создание ключевых компонентов высокоплотного DC-DC преобразователя

6.4.2 Создание экспериментального образца высокоплотного DC-DC преобразователя

6.4.3 Исследование и верификация высокоплотного DC-DC преобразователя

6.5 Выводы

Заключение

Благодарности

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение А. Результаты интеллектуальной деятельности

Приложение Б. Акт внедрения

Приложение В. Принципиальная электрическая схема силовой GaN ИС

Приложение Г. Принципиальная электрическая схема высокоплотного

DC-DC преобразователя

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка силовых микросборок на основе GaN/SiC диодов и GaN/Si транзисторов, а также интегральных схем на основе GaN/SOI для высокоплотных DC-DC преобразователей электрической энергии»

Введение

Актуальность. Автономные системы электропитания нуждаются в импульсных преобразователях энергии, характеризующихся высокой удельной плотностью мощности (.Руд). Рост Руд может быть достигнут за счёт увеличения КПД и/или снижения габаритов пассивных фильтрующих компонентов при увеличении рабочей частоты импульсных преобразователей постоянного тока (DC-DC преобразователей).

Переход от применения традиционной силовой Si электронной компонентной базы (ЭКБ) к использованию современных силовых GaN транзисторов с высокой подвижностью электронов позволяет создавать DC-DC преобразователи, работающие на частотах более 500 кГц с КПД более 90%, что открывает возможности для роста их Руд. Для практической реализации этого перехода нужно решить ряд новых научно-технических проблем, обусловленных необходимостью минимизации паразитных индуктивностей в силовом и затворном контурах силовых GaN транзисторов, а также необходимостью организации эффективного теплоотвода от кристаллов силовых GaN приборов, имеющих существенно большее удельное тепловыделение по сравнению с Si-кристаллами.

Преодоление этих проблем лежит на пути разработки новых конструкторских решений для компонентов и узлов, входящих в состав перспективных высокочастотных высокоплотных DC-DC преобразователей. В этой связи исследование, разработка и оптимизация гибридных силовых микросборок на основе GaN диодов и транзисторов, разработка монолитных силовых GaN интегральных схем (ИС), а также создание на их основе высокоплотных DC-DC преобразователей являются актуальными задачами.

Целью работы является проведение исследований и разработок гибридных силовых микросборок с повышенной рабочей частотой и улучшенным теплоотводом на основе серийных нормально закрытых GaN/Si транзисторов с высокой подвижностью электронов и специально разработанных планарных GaN/SiC диодов Шоттки, создание на их основе высокочастотных высокоплотных DC-DC преобразователей, а также исследование возможности дальнейшего повышения рабочей частоты преобразователей за счёт применения специализированной монолитной силовой ИС на основе гетероструктуры AlGaN/GaN/Silicon on Insulator (GaN/SOI).

Цель достигается за счет решения следующих задач:

1) исследования влияния конструкционных особенностей силовых планарных низковольтных GaN/SiC диодов Шоттки на их электрические характеристики, разработки оптимальных топологий низковольтных диодов, а также создания и верификации образцов кристаллов диодов с улучшенным теплоотводом;

2) разработки, создания и верификации гибридных силовых GaN микросборок с повышенной рабочей частотой и улучшенным теплоотводом от кристаллов GaN диодов и

транзисторов на основе AlN керамических плат с металлизированными переходными отверстиями;

3) разработки и верификации силовых GaN/SOI ИС с повышенной рабочей частотой и улучшенным теплоотводом от горячих точек кристалла;

4) разработки, создания и верификации высокоплотных высокочастотных DC-DC преобразователей с повышенной удельной мощностью на основе гибридных силовых GaN микросборок.

Методы исследований. Конструкторское и топологическое проектирование диодов, гибридных силовых GaN микросборок, монолитной силовой GaN ИС и DC-DC преобразователя выполнялось с использованием систем автоматизированного проектирования (САПР). Моделирование электрических схем, электрических и тепловых процессов в микросборках, силовой GaN ИС и DC-DC преобразователе выполнялось с применением современных систем автоматизации инженерных расчетов. Изготовление GaN/SiC диодов осуществлялось на технологической линии производства мощных сверхвысокочастотных (СВЧ) GaN транзисторов. Создание микросборок осуществлялось с использованием установок лазерной обработки металлов и керамики, контроль дефектов производился с помощью оптической микроскопии и рентгеновской томографии. Сборка микросборок и преобразователя выполнялась с использованием технологии поверхностного монтажа электронных компонентов. Исследование и тестирование электрических параметров диодов, микросборок и преобразователей осуществлялось с использованием зондовой станции, а также прецизионных измерительных приборов.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем.

1. Впервые предложена базовая конструкция однопальцевого низковольтного силового диода Шоттки на основе гетероструктуры AlGaN/GaN, выращенной на подложке из SiC, которая имеет рабочее напряжение до 250 В и обеспечивает улучшенный односторонний теплоотвод от горячих точек кристалла диода.

2. Впервые предложена конструкция гибридной силовой GaN микросборки на основе AlN керамической платы с двусторонней медной металлизацией и переходными металлизированными отверстиями, имеющая низкую паразитную индуктивность силового контура, а также обеспечивающая улучшенный двусторонний теплоотвод от кристаллов силовых GaN транзисторов.

3. Впервые предложены теплораспределяющие элементы, реализованные в межуровневой разводке монолитной силовой GaN интегральной схемы полумоста с затворным драйвером, силовыми транзисторами и модулем логического управления на основе

гетероструктуры AlGaN/GaN/SOI, что позволяет осуществлять улучшенный двусторонний теплоотвод от горячих точек кристалла интегральной схемы.

4. Впервые предложено техническое решение для создания прямоходового высокочастотного DC-DC преобразователя с активным клампом на основе гибридной силовой GaN микросборки полумоста, используемой в первичной части преобразователя, планарного трансформатора, а также гибридной силовой GaN микросборки синхронного выпрямителя, используемой во вторичной части преобразователя, обеспечивающее повышенную удельную плотность мощности DC-DC преобразователя.

Практическая значимость полученных результатов

1. Разработаны конструкция и топология кристалла многопальцевого низковольтного силового диода Шоттки на основе гетероструктуры AlGaN/GaN/SiC, с импульсным рабочим током до 42 А, пригодные для организации производства диодов на основе стандартной технологии изготовления СВЧ AlGaN/GaN/SiC транзисторов с высокой подвижностью электронов.

2. Разработана и протестирована конструкция гибридной силовой GaN микросборки на основе AlN керамической платы с переходными металлизированными отверстиями, предназначенная для использования в составе серийно выпускаемых DC-DC преобразователей и позволяющая увеличить их удельную плотность мощности.

3. Разработана монолитная силовая GaN интегральная схема на основе гетероструктуры AlGaN/GaN/SOI, с максимальным рабочим напряжением до 200 В и выходным током до 12 А, предназначенная для использования в составе DC-DC преобразователей, и позволяющая увеличить их частоту преобразования.

4. Разработан пригодный для серийного производства высокоплотный DC-DC преобразователь на основе гибридных силовых GaN микросборок с рабочей частотой 800 кГц, а также максимальным КПД 91,7%.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Базовая конструкция однопальцевого силового диода с барьером Шоттки на основе гетероструктуры AlGaN/GaN/SiC и Pt/GaN контакта Шоттки за счет повышенной до 1,55 эВ высоты барьера Шоттки обеспечивает снижение удельного тока утечки до 0,7 мкАмм-1, что позволяет создавать на ее основе силовые многопальцевые диоды с рабочим напряжением до 250 В, выходным током до 42 А, а за счет использования SiC подложки, обеспечивает снижение теплового сопротивления в 2,6 раза по сравнению с подложкой из Si.

2. Керамическая плата с двусторонней медной металлизацией и переходными металлизированными отверстиями, используемая для создания гибридных силовых GaN микросборок, обеспечивает снижение паразитной индуктивности силового контура до уровня,

достаточного для их работы на частотах выше 1 МГц, и одновременно позволяет за счет применения высокотеплопроводной керамики и двустороннего теплоотвода в 2-3 раза уменьшить тепловое сопротивление между кристаллом силового GaN транзистора и окружающей средой.

3. Теплораспределяющие элементы на основе слоя Cu толщиной 7 мкм, реализованные в межуровневой разводке монолитных силовых интегральных схем на основе гетероструктур AlGaN/GaN/SOI, расположенные в слое металлизации контактных площадок, обеспечивают снижение теплового сопротивление при теплоотводе через лицевую сторону в 12 раз по сравнению с интегральными схемами без этих элементов.

4. Применение гибридных силовых GaN микросборок, обладающих низкой паразитной индуктивностью силового контура и эффективным теплоотводом для создания прямоходового DC-DC преобразователя с активным клампом и синхронным выпрямителем, позволяет увеличить его частоту преобразования до 800 кГц и достичь удельной плотности мощности 15,4 Втсм-3, что в 4 раза превышает показатель серийных кремниевых преобразователей аналогичного класса.

Степень достоверности и апробация результатов работы. Достоверность полученных результатов работы обеспечивается корректностью постановки решаемых задач, их физической обоснованностью, большим объемом экспериментальных данных, полученных с помощью современных методов исследований электрических характеристик и тепловых параметров силовых GaN приборов и устройств.

Основные результаты работ доложены на 8 международных конференциях и форумах:

• Международная IEEE-сибирская конференция по управлению и связи («SibCon 2022»), г. Томск, Россия;

• Международная конференция молодых специалистов по микро/нанотехнологиям и электронным приборам («EDM 2023», «EDM 2024», «EDM 2025»), г. Новосибирск, Россия;

• XVI Международная IEEE научно-техническая конференция Актуальные проблемы электронного приборостроения («АПЭП 2023»), г. Новосибирск, Россия;

• Российский форум «Микроэлектроника 2021, 2024, 2025», г. Сочи, Россия.

Результаты диссертационной работы внедрены в производственную деятельность АО

«Научно-производственное предприятие «Радар ммс».

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 12 работах, в том числе 1 статья опубликована в журнале, входящих в перечень ВАК; 2 статьи в журналах, индексируемых в SCOPUS; 1 свидетельство о государственной регистрации топологии интегральной микросхемы.

Личный вклад автора. Диссертация является итогом исследований и работ, проведенных автором лично, а также совместно с сотрудниками ФГАОУ ВО «Томский

государственный университет систем управления и радиоэлектроники», ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский государственный университет», АО «НПФ «Микран», АО «НПП «Радар ммс». Исследования и результаты, представленные в диссертации, выполнены по инициативе автора. Автором лично выдвинуты основные идеи исследований, спланированы и проведены эксперименты, сделаны оценки, проанализированы и осмыслены полученные данные, сформулированы положения, выносимые на защиту. В постановке задач и обсуждении полученных результатов принимал активное участие научный руководитель. Соавторы, принимавшие участие в исследованиях и разработках по отдельным направлениям, указаны в списке работ по теме диссертации. Все результаты, составляющие научную новизну диссертации и выносимые на защиту, получены автором лично.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и четырех приложений. Объем работы составляет 187 страниц машинописного текста, включая 107 рисунков, 18 таблиц, список литературы из 174 наименований.