Разработка и исследование силового низковольтного AlGaN/GaN/SiC диода Шоттки
DOI:
https://doi.org/10.54708/26587572_2026_812422Ключевые слова:
силовая электроника, электронная компонентная база, нитрид галлия, диод Шоттки, GaN диод Шоттки, силовые микросборкиАннотация
В работе представлены результаты разработки и экспериментального исследования силового планарного низковольтного диода Шоттки на основе гетероструктуры AlGaN/GaN, сформированной на подложке из SiC. Описана базовая конструкция силового GaN диода Шоттки с системой полевых электродов, реализованная в кристалле многопальцевого силового GaN диода Шоттки. Представлена методика импульсных измерений вольтамперной характеристики диода, позволяющая исключить влияние саморазогрева. Изготовлено и измерено 25 экспериментальных образцов кристаллов силовых GaN диодов Шоттки. Максимальное рабочее напряжение составило более 250 В, а максимальный ток достигал 42 А. Теоретически рассчитана величина теплового сопротивления между активной областью силового GaN диода и подложкой. Показано преимущество использования подложек SiC с точки зрения тепловых характеристик. Проведено сравнение достигнутых электрических характеристик экспериментального образца силового GaN диода Шоттки с серийно выпускаемым кремниевым аналогом. Представлены результаты интеграции экспериментального образца силового GaN диода Шоттки в силовую микросборку, предназначенную для использования во вторичной части однотактных DC-DC преобразователей с высокой плотностью мощности.Библиографические ссылки
Rafin S.S.H., Ahmed R., Haque M.A., et al. Power electronics revolutionized: A comprehensive analysis of emerging wide and ultrawide bandgap devices // Micromachines. 14(11), 2045 (2023). DOI: 10.3390/mi14112045.
Dhameliya N. Power electronics innovations: Improving efficiency and sustainability in energy systems // Asia Pacific Journal of Energy and environment. 9(2), 71–80 (2022). DOI: 10.18034/apjee.v9i2.752.
Tsao J. Y. et al. Ultrawide-bandgap semiconductors: Research opportunities and challenges // Advanced Electronic Materials. 4, 1600501 (2018). DOI: 10.1002/aelm.201600501.
Bartenev A.I., Kagadey V.A., Koryakovtsev A.S., et al. GaN power electronics as a driver of energy efficiency growth in electrical energy converters // Tekhnologii Bezopasnosti Zhiznedeyatelnosti. 1, 91–100 (2023). (In Russian) [Бартенев А.И., Кагадей В.А., Коряковцев А.С. и др. Силовая GaN-электроника как фактор роста энергоэффективности преобразователей электрической энергии // Технологии безопасности жизнедеятельности. 1, 91–100 (2023)]. DOI: 10.17223/7783494/1/12.
Athwer A., Darwish A. A review on modular converter topologies based on WBG semiconductor devices in wind energy conversion systems // Energies. 16(14), 5324 (2023). DOI: 10.3390/en16145324.
Roccaforte F., Fiorenza P., Greco G., et al. Challenges for energy efficient wide band gap semiconductor power devices // Physica Status Solidi A: Applications and Materials Science. 211(9), 2063–2071 (2014). DOI: 10.1002/pssa.201300558.
Rafin S.M.S.H., Ahmed R., Mohammed O.A. Wide band gap semiconductor devices for power electronic converters. In: 2023 Fourth International Symposium on 3D Power Electronics Integration and Manufacturing (3D-PEIM). IEEE, 2023. P. 1–8. DOI: 10.1109/3D-PEIM55914.2023.10052586.
Bykhovski A., Gelmont B., Shur M. The influence of the strain-induced electric field on the charge distribution in GaN-AlN-GaN structure // Journal of Applied Physics. 74(11), 6734–6739 (1993). DOI: 10.1063/1.355070.
Asbeck P. M., et al. Piezoelectric charge densities in AlGaN/GaN HFETs // Electronics Letters. 33(14), 1230–1231 (1997). DOI: 10.1049/el:19970843.
Buffolo M. et al. Review and outlook on GaN and SiC power devices: Industrial state-of-the-art, applications, and perspectives. // IEEE Transactions on Electron Devices. 71(3), 1344–1355 (2024). DOI: 10.1109/TED.2023.3346369.
Liu Y.F., Tan D. A discussion on ultrahigh efficiency and ultrahigh power density DC-DC converter technologies. // IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics. 11(3), 2457–2468 (2023). DOI: 10.1109/JESTPE.2023.3239516.
Shao Y. et al. Research progress and prospect of GaN Schottky diodes // Journal of Physics D: Applied Physics. 57(9), 093001 (2023). DOI: 10.1088/1361-6463/ad0c7a.
Soni A., Amogh K.M., Shrivastava M. Design guidelines and performance tradeoffs in recessed AlGaN/GaN Schottky barrier diodes // IEEE Transactions on Electron Devices. 67(11), 4834–4841 (2020). DOI: 10.1109/TED.2020.3024354.
Kolawole M.I. Advanced wide-bandgap semiconductor devices for high-power applications: GaN, SiC, and diamond-based electronics for extreme environments. // International Journal of Engineering Technology Research and Management. 9(2), 335 (2025). DOI: 10.5281/zenodo.14938163.
Polyntsev E., Erofeev E., Yunusov I. The Influence of Design on Electrical Performance of AlGaN/GaN Lateral Schottky Barrier Diodes for Energy-Efficient Power Applications // Electronics, 10(22), 2802 (2021). DOI: 10.3390/electronics10222802.
Popeskul A.N. Calorifics: Methodological rationale. Moscow: Nauka, 2016. 132 p. (In Russian) [Попескул А.Н. Теплотехника: Методическое пособие. М.: Наука, 2016. 132 с.]
Polyntsev E.S. et al. Design and optimization of 100 V GaN multi-chip power micromodule based on AlN DBC substrate // 2024 IEEE 25th International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM), 1180–1184 (2024). DOI: 10.1109/EDM61683.2024.10614962.
Kodorova I.Y., Polyntsev E.S., Kagadey V.A. Thermal Analysis of Packaging Solution for GaN Multichip Power Micromodule. In: 2024 IEEE 25th International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM). IEEE, 2024. P. 1230–1233. DOI: 10.1109/EDM61683.2024.10615202.
Polyntsev E. et al. High frequency 1 MHz 72 W forward converter with active clamp and synchronous rectifier based on GaN multichip power micromodules. In: 2025 IEEE 26th International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM). IEEE, 2025. P. 790–795. DOI: 10.1109/EDM65517.2025.11096879.
Li H. et al. Digital synchronous rectifier control using extended harmonics impedance model for highfrequency GaN-based LLC converters // IEEE Transactions on Industrial Electronics. 71(10), 12312–12322 (2024). DOI: 10.1109/TIE.2024.3357840.
