Главная – Журналы – Химия в интересах устойчивого развития 2001 номер 7

Представлен структурный анализ энергопотребления по отраслям промышленности и отдельным типам потребителей. Исходя из прогноза развития энергетических мощностей России и мировых тенденций развития силовой электроники показано, что реализация энергосберегающих технологий с использованием средств силовой электроники позволяет получить значительную экономию электроэнергии и снизить ее дефицит. С учетом структуры потребителей по отраслям и специфики необходимых средств силовой электроники оценена предельная емкость рынка России в денежном выражении как по устройствам и системам силовой электроники, так и по применяемым в них полупроводниковым приборам.

Рассмотрены основные требования к свойствам высокоомных рабочих слоев многослойных структур, используемых при изготовлении полевых высоковольтных транзисторов, тиристоров и IGBT-приборов - наиболее распространенных типов мощных высоковольтных дискретных приборов. Экспериментально установлено, как может влиять неоднородность толщины и удельного сопротивления высокоомного рабочего слоя на параметры мощных МДП-транзисторов. Проанализирована целесообразность применения при производстве силовых приборов с U_проб > 800 В двух- и трехслойных структур, формируемых методом прямого соединения кремниевых пластин с использованием для изготовления рабочего высокоомного слоя нейтронно-легированного кремния, выращенного методом бестигельной зонной плавки (FZ-Si). Продемонстрировано, что альтернативой FZ-Si может быть кремний, выращенный методом Чохральского в магнитных полях (CZМ) с содержанием кислорода < (4-5)*10¹⁷ см^-3.

Методом Виккерса в интервале температур 20-1400 °С измерена твердость монокристаллов 6H-SiC, GaN и AlN при нагрузке 0.5-5 Н. Установлено, что при комнатной температуре средняя твердость SiC, GaN и AlN (0001) составляет 25, 11 и 18 ГПа соответственно. При повышенной температуре твердость SiC, GaN и AlN больше, чем для Si, GaAs и ZnS. Установлена высокая механическая стабильность этих полупроводников.

Пленки карбонитрида кремния синтезированы методом газофазного химического осаждения в схеме с удаленной плазмой. В качестве исходных реагентов использованы силильные производные 1,1-диметилгидразина: диметил(2,2-диметилгидразино)силан и диметил-бис-(2,2-диметилгидразино)силан. В молекулах этих мономеров содержатся связи Si-N, Si-С и C-N, необходимые для формирования карбонитрида кремния. По данным РФЭС и ИК-спектроскопии установлено, что синтезированные пленки представляют собой различные типы соединений-композитов, в которых атом кремния связан с атомами азота и углерода, либо атом азота образует химические связи с кремнием и углеродом. Пленки, синтезированные при Т < 673 K, частично гидрированы. Электронно-микроскопические исследования показали, что в аморфной матрице пленок образуются нанокристаллы размером 50-200 нм. Методом дифракции синхротронного излучения обнаружено, что возникновение кристаллов, а также их кристаллические формы не зависят от температуры подложки. Это дает основание полагать, что образование нанокристаллов может происходить в газовой фазе, либо инициироваться напряжениями в пленке, увеличивающимися по мере роста ее толщины. Пленки обладают высокой термической стабильностью вплоть до температуры 1273 K.

Cинтезированы пленки нового тройного соединения - карбонитрида кремния - плазмохимическим осаждением с использованием гексаметилдисилазана Si₂NH(CH₃)₆ в качестве исходного вещества. Для изучения их физико-химических свойств применены различные методы исследования: ИК- и КР-спектроскопия, РФЭС, эллипсометрия, электронная микроскопия, включая методы высокого разрешения (HRTEM, SAED). Усовершенствованы методы РФА с использованием синхротронного излучения для определения структуры и фазового состава тонких пленок. Установлено, что пленки карбонитрида кремния содержат нанокристаллы, распределенные в аморфной матрице, размером 2-5 нм.

Исследованы физико-химические превращения, происходящие в тонких нанокристаллических слоях карбонитрида кремния в результате термического отжига в вакууме при температуре 1173 K. Для изучения этих физико-химических превращений были применены методы ИК-, КР-спектроскопии, РФЭС, эллипсометрии и рентгеноструктурного анализа с использованием синхротронного излучения. Установлено, что высокотемпературный отжиг пленок карбонитрида кремния способствует уменьшению аморфной составляющей пленки, увеличению плотности и размеров входящих в их состав нанокристаллов.

Представлены результаты работ по совершенствованию технологии получения НТЛ-кремния, в том числе по оптимизации режима отжига, с целью увеличения минимального времени жизни неосновных носителей заряда от фактически имевших место значений в диапазоне 100-200 мкс до 200-400 мкс при удельном сопротивлении около 50 Ом^.см. Разработанные в результате проведенных исследований режимы позволили существенно сократить длительность термообработки, необходимой для отжига радиационных дефектов, и, как следствие, повысить время жизни неосновных носителей заряда. Проведен анализ результатов получения НТЛ-кремния, выращенного из исходного поликристаллического кремния разных фирм-производителей, позволяющий сделать вывод о том, что дальнейшие пути повышения времени жизни неосновных носителей заряда в НТЛ-кремнии связаны главным образом с совершенствованием технологии получения исходного материала.

Исследованы свойства интерфейса в изотипных структурах, формировавшихся методом твердофазного сращивания пластин кремния одного типа проводимости, в зависимости от технологии сращивания. Для выявления роли кислорода в электрических свойствах интерфейса проводилось сращивание пластин как покрытых естественным оксидом (толщиной не более 1-2 нм), так и специально окисленных (с толщиной оксида кремния до 20 нм). Исследование бикристаллов, сращенных после соединения на воз-духе или в деионизованной воде, показало, что электрическая активность интерфейса в этом случае определяется главным образом степенью его обогащения кислородом и загрязнением поверхностей сращиваемых пластин акцепторными примесями (предположительно алюминия). Электрическая активность бескислородного интерфейса в структурах, получаемых соединением ионно-травленных пластин и отжигом в вакууме, зависит прежде всего от рассогласования кристаллических решеток сращиваемых пластин. Свойства ТФС-структур с захороненным оксидным слоем, получаемых при сращивании кремниевых пластин n-типа проводимости, определяются загрязнением акцепторной примесью интерфейса сращивания.

Силовые полупроводниковые приборы широко используются в мощных импульсных устройствах. Первой целью в развитии приборов является получение высоких значений параметра di/dt, таких как у искровых разрядников, а именно: 10¹² A/с. Мы провели изучение характеристик включения СИ-тиристоров для быстрых высоковольтных импульсных генераторов. СИ-тиристоры имеют структуру с захороненным затвором, в которой электроды затвора расположены в области n-базы. Поскольку СИ-тиристоры нормально включенные, на электроды затвора должно быть подано отрицательное смещение, чтобы поддерживать выключенное состояние. СИ-тиристоры во включенном состоянии ведут себя подобно pin-диодам. Мы охарактеризовали три типа СИ-тиристоров, два из которых были использованы в устройствах силовой электроники с номинальным напряжением 4000 В. Прибор, обозначенный как RT201, был разработан для мощных импульсных применений. Разница между ними заключается в структуре прибора вблизи анода. Для того чтобы улучшить характеристики выключения при использовании приборов в силовой электронике, обычно используются структуры с проницаемым затвором и короткозамкнутым анодом. Прибор RT201 с номинальным напряжением 5500 В имеет структуру с проницаемым затвором и не является прибором с короткозамкнутым анодом. Скорость включения в основном определяется скоростью инжекции носителей в область n-базы. Поэтому качество цепи управления затвором влияет на быстроту включения. При использовании вновь разработанного сильноточного драйвера затвора получено наиболее быстрое включение прибора RT201 с Tf = 35 нс и di/dt = 9.5*10¹⁰ A/с. Для того чтобы охарактеризовать работу в режиме повторений и при более высоком напряжении, мы сделали составную переключающую ячейку на СИ-тиристорах. Ячейка состояла из трех тиристоров, каждый из которых имел драйвер затвора. Переключающая ячейка успешно функционировала на частоте повторения 2 кГц на 10 кВ.

Приводится информация о современном состоянии и перспективах производства приборов силовой электроники (ПСЭ) на ОАО "Электровыпрямитель". Показано, что разработка и освоение в серийном производстве на ОАО "Электровыпрямитель" всех современных классов ПСЭ, производившихся ранее в СССР, а также качественно новых видов продукции - мощных высоковольтных полупроводниковых приборов, созданных на основе широкого внедрения достижений науки и техники - позволили добиться высоких производственных результатов, решить важнейшую народнохозяйственную задачу по обеспечению всех отраслей народного хозяйства Российской Федерации современными классами надежных и высокоэффективных отечественных полупроводниковых приборов, в том числе для энерго- и ресурсо-сберегающих технологий, современных систем вооружений, электрифицированного транспорта, коммунального хозяйства, и исключить импортозависимость, что является важной составляющей сохранения национальной безопасности и экономической независимости России.

Представлены результаты разработки и изготовления МОП-тиристоров. Изучены статические и динамические характеристики. Исследовано влияние облучения электронами на статические и динамические характеристики. Обнаружено, что облучение электронами существенно уменьшает время выключения МОП-тиристора, а также наблюдается увеличение плотности управляемого тока.

Предложен проект высоковольтного IGBT-транзистора. Транзистор изготавливается на высокоомной подложке с применением NPT-технологии. Проведено численное моделирование технологии изготовления и статических вольт-амперных характеристик. Показана возможность увеличения рабочего напряжения до 1800 В.

Разработана технология изготовления силовых диодов Шоттки Au-TiB_x-n-n+-GaAs планарной и мезаструктуры на интегральном теплоотводе. Экспериментально исследовано влияние термического отжига при T = 500 °С в течение 1 ч в атмосфере водорода на барьерные свойства контакта. Показана воз-можность создания термостойкого (до 500 °С) силового диода Шоттки Au-TiB_x-n-n+-GaAs с напряжением лавинного пробоя ~200 В.

Предлагается оптоемкостный преобразователь, способный преобразовывать оптическую энергию в электрический сигнал через изменение емкости твердотельной структуры. В нем использовано свойство полупроводников изменять поверхностное сопротивление при воздействии оптического излучения. Емкость твердотельной структуры изменяется за счет изменения поверхностного сопротивления арсенида галлия (GaAs). Оптоемкостный преобразователь позволяет обнаруживать наличие оптического излучения, измерять изменение емкости в зависимости от изменения ширины светового пятна, мощности и частоты оптического излучения.

На основании анализа мировых тенденций динамики развития и современного состояния приборов и устройств силовой электроники приводится сравнение параметров приборов, оцениваются перспективы и тенденции применения различных типов приборов в устройствах и системах силовой электроники. Определены области применения как систем, так и входящих в них приборов. Представлены перспективные структуры и схемотехнические решения устройств силовой электроники, которые учитывают свойства применяемых приборов и специфику возможных потребителей электроэнергии.