Исследователи НИТУ МИСИС усовершенствовали структуру полупроводниковых выпрямителей тока, которые применяются в силовой электронике, телекоммуникациях, бытовой электронике и автомобильной промышленности. Новая разработка позволяет перейти к более эффективной и надежной структуре выпрямителей, которая уменьшает токи утечки в десятки раз.
Выпрямители 一 важнейший компонент источников питания, преобразующий переменный ток в постоянный, а полевые транзисторы используются в усилителях сигнала и радиочастотных приложениях. В последние несколько лет сильно возрос интерес к использованию сверхширокозонного оксида галлия бета-полиморфа (β-Ga2O3). Это перспективный кандидат для применения в мощных выпрямителях и полевых транзисторах следующего поколения из-за его уникальных свойств, простоты технологии и низкой стоимости. Материал способен выдерживать высокие напряжения и работать при высоких температурах, а также пригоден для применения в высокомощных силовых устройствах. Он обладает высокой скоростью насыщения электронов, одной из самых высоких среди всех полупроводников.
По характеру проводимости полупроводники делят на n-тип и р-тип. Полупроводник n-типа имеет примесные элементы, которые называются доноры. Основными носителями заряда являются электроны. Полупроводники р-типа содержат акцепторные примеси, захватывающие валентные электроны, и характеризуются дырочной проводимостью, то есть за проводимость отвечает дырка 一 «отсутствие электрона».
«Несмотря на свои преимущества, у оксида галлия бета-полиморфа есть недостаток 一 сложность получения проводимости дырочного типа и невозможность в настоящее время создания биполярных приборов на основе одного только β-Ga2O3. Это создает трудности при попытках разработать выпрямители с одновременно очень большим пробивным напряжением и очень маленьким сопротивлением во включенном состоянии, а также с маленькими потерями энергии при переключении из включенного в закрытое состояние и способностью переносить заметные перегрузки», 一 пояснил к.т.н. Александр Поляков, профессор кафедры полупроводниковой электроники и физики полупроводников, заведующий лабораторией «Ультраширокозонные полупроводники» в НИТУ МИСИС.
Чтобы устранить эту проблему, ученые НИТУ МИСИС изготовили гетеропереход, то есть контакт двух разных полупроводников, в котором n-тип полупроводник β-Ga2O3 контактирует с материалом с высокой естественной проводимостью p-типа. В качестве такого материала можно использовать оксид никеля (NiO).
«Выпрямитель может быть создан на базе диодов Шоттки — полупроводниковых диодах с малым падением напряжения при прямом пропускании тока. Замена подобных выпрямителей на гетеропереходы с NiO позволяет сочетать уникальные свойства β-Ga2O3 со свойствами биполярных устройств. Мы использовали взаимодополняющие характеристики различных материалов для повышения производительности, эффективности и функциональности устройств в приложениях силовой электроники», 一 добавил соавтор исследования Антон Васильев, инженер научного проекта лаборатории «Ультраширокозонные полупроводники» Университета МИСИС.
Выяснилось, что в сравнении с другими полупроводниковыми материалами или даже в сравнении с диодами Шоттки на основе того же оксида галлия, вариант выпрямителей с гетеропереходами NiO/β-Ga2O3 повышает производительность устройств и пробивные напряжения, которые устройство может выдержать без повреждения, а также уменьшает токи утечки в десятки раз. Подробности исследования опубликованы в научном журнале Journal of Applied Physics (Q2).
Работа поддержана грантом Минобрнауки России (проект № 075-15-2022-1113).
