Siの研究

Scientific Reports volume 12、記事番号: 15508 (2022) この記事を引用

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光起動マルチゲート半導体スイッチ (LIMS) は、電気パルスによってトリガーされる従来のサイリスタとは多くの違いがあるパワーエレクトロニクスデバイスの一種です。 LIMS はレーザーによってトリガーされ、ターンオン時間が短く、耐電磁干渉が強力です。 LIMS の開放モードは従来のサイリスタとは明らかに異なります。ゲート領域にレーザーが照射されると、多数の電子と正孔が P ベース領域に現れ、正孔は PN 接合 J2 の P ベース領域に集まり、電子は PN 接合 J2 の周囲の N ドリフト領域に集まります。。 PN 接合 J2 が最初に開き、次に PN 接合 J3 が開きます。 NPN サイリスタと PNP サイリスタの遅延時間は、レーザーパルスが狭く、ピークパワーが高い場合にはゼロに近いため、ターンオン速度が速くなります。高温での LIMS の特性を最適化するために、n+ 層、円形光ゲート、および新しいスタイルのエッジ終端を最適化した LIMS の新しい構造を提案します。 LIMS の直径は 23 mm です。実験結果は、提案された LIMS の漏れ電流が 125 °C で 1 mA 以上から 500 μA に減少したこと、LIMS の出力電流が 85 °C で 4 kV の電圧で 10.2 kA であること、およびLIMS の出力電流は、-55 °C で電圧 4 kV で 12.1 kA です。さらに、di/dt は 30 kA/μs より大きくなります。

最も強力な半導体スイッチである電気トリガーおよび光トリガーサイリスタは、高電圧直流 (HVDC) 送電やパルス電力アプリケーションなどの超高圧電力アプリケーションに最適なデバイスです1、2、3、4、5。。電気トリガーサイリスタと比較して、光トリガーサイリスタには、駆動回路の簡素化と電磁両立性の向上という点で多くの利点があります6。ただし、レールガン用途などの超高パルス電源システムでは、ターンオン時間が短く、サイリスタの di/dt が高いため、従来の電気トリガーおよび光トリガーサイリスタでは満足することができません。上記の要件。したがって、光開始マルチゲート半導体スイッチ（ＬＩＭＳ）が提案されている。 LIMS は、電気または光パルスによってトリガーされる従来のサイリスタとは多くの違いがあるパワーエレクトロニクスデバイスの一種です。 LIMS はレーザーによってトリガーされ、ターンオン速度は速く、di/dt は 60 kA/μs より高くなります。

ただし、LIMS の構造はサイリスタに似ており、異なるドーピングの 4 つの層が含まれており、NPN および PNP バイポーラトランジスタを形成します。高い動作温度下では、LIMS の漏れ電流がトランジスタのゲインによって増幅されて増加し、サイリスタの寄生ターンオンにつながります。これにより、軍事、公共、航空宇宙アプリケーションなど、場合によってはアプリケーションの機能が低下します6、7。

研究では、高温でのサイリスタの漏れ電流は、チップ端子の表面電流からも発生する可能性があることが示されています8。次に、LIMS の総リーク電流のかなりの部分を占めるリーク電流を最小限に抑えるために、適切なエッジ終端とパッシベーション技術が必要です。

この論文では、n+ 層の最適化、円形ゲート、新しいスタイルのエッジ終端を備えた LIMS の新しい構造が提案されており、LIMS の直径は 23 mm です。提案された LIMS の漏れ電流は 125 °C で約 500 μA、LIMS の出力電流は 85 °C で 4 kV の電圧で 10.2 kA です。

図 1a は、従来の Si LIMS チップの構造です。 LIMS は、ゲート領域を除いてサイリスタの構造とほぼ同じであり、光子によってより多くのキャリアを励起します。ただし、LIMS の開放モードは、従来の電気的にトリガーされるサイリスタとは明らかに異なります。レーザーが光でトリガーされる領域に向けられると、多くの電子と正孔が P ベース領域に現れ、正孔は PN 接合 J2 の P ベースの周囲に集まり、電子は PN 接合の周囲の N ドリフト領域に集まります。 J2。レーザーパルスが狭く、ピークパワーが高い場合、NPN サイリスタは PNP サイリスタよりも先に開きますが、NPN サイリスタと PNP サイリスタの遅延時間は最小限です。単位時間当たりのレーザーエネルギー（レーザーエネルギーとパルス幅）が適切な場合、PNP サイリスタと NPN サイリスタが同時に開きます。したがって、LIMS のターンオン速度は速いです。

従来の Si LIMS チップ (a) と最適化された Si LIMS チップ (b) の構造。

LIMS の電流 I は次の式で表すことができます9

ここで、Io は光トリガー電流、tnpn と tpnp はそれぞれ p ベース領域と n ドリフト領域でのキャリアの輸送時間です。

ここで、Wp と Wn はそれぞれ p ベースと n ドリフトの厚さです。 Wdn は空乏層の厚さです。 Dn と Dp はそれぞれ電子と正孔の拡散係数です。

LIMS の di/dt は次の式 9 で表すことができます。

di/dt は、光トリガー電流、p ベースの厚さ、n ドリフト、空乏層に関係します。

LIMS の重要な漏れ電流は、次の式 10 で表すことができます。

ここで、Lp はホールの拡散長、ND は n ドリフトのドーパント濃度、ni は真性キャリア濃度、τ はキャリア寿命です。式から次のことがわかります。 (3) と (4) では、漏れ電流と di/dt は Wdn と Dp の影響を受けます。 Lp、ND、τは漏れ電流に影響し、Dp、Lp、ND、τはいずれも温度Tに関係します。よって、高温時の漏れ電流とdi/dtを総合的に考慮してパラメータを設定する必要があります。 LIMSチップ。

上記の理論に基づくと、リーク電流とターンオン速度 (di/dt) は、空乏層の厚さ、n+ 層の最適化による LIMS の新しい構造、および円形ゲートに関連しているため、新しいスタイルのエッジ終端が提案されています11。高温でのリーク電流を低減するために、n-(i) 層が p ベースと n ドリフトの間に挿入され、ベベル終端にパッシベーション層 (SiO2) が追加され、表面状態が減少します。密度。

ターンオン速度（di/dt）を増加させるために、図2および3に示すように、LIMS用のカソードの多光トリガー電極構造が提案されています。この研究は、n+ 層の距離 l (図 1b) がカソード電極端から光トリガー領域まで伸びており、di/dt が高い場合の電流のピーク値に影響を与えることを示しています。したがって、n+ 層の最適化は LIMS の特性にとって重要です。

LIMS のカソードの電極構造 (緑色の領域がカソード電極、その他の領域が光トリガー領域)。

LIMS は Sentaurus でモデル化されました。シミュレーションでは、図 1b に示す構造が 2D 次元でモデル化されました。最適化された LIMS の場合、n+ 層の厚さとドーパント濃度はそれぞれ 10 μm と 1 × 1020 cm-3 です。 p ベース層の厚さは 35 μm、ドーパント濃度は 2 × 1017 cm-3 です。 n- 層の厚さとドーパント濃度は 100 μm と 4 × 1012 cm-3 であり、n ドリフト層の厚さとドーパント濃度はそれぞれ 800 μm と 1.2 × 1013 cm-3 です。さらに、p+ 層の厚さは 15 μm、ドーパント濃度は 6 × 1017 cm-3 です。カソード電極端から光トリガー領域まで延びるn+層の距離l（図1b）は約30μmです。また、ベベル終端にはパッシベーション層 (SiO2) が追加されています。

さらに、アノード電流は、円筒座標でモデル方程式を解くことによってシミュレートされました。光学窓とカソード電極を図2に示します。単色光源は光学窓に均一に照射されるように設定しました。

図 3 はシミュレーション結果を示しています。図3のシミュレーション結果は、n+層、円形ゲート、新しいスタイルのエッジ終端を最適化したLIMSのリーク電流は、DC電圧5kV、温度125℃で480μAであることを示しています。 (図 3 に示すように、図 1a の従来のサイリスタの漏れ電流は 1 mA より大きくなります)。

従来のLIMSと最適化されたLIMSの漏れ電流のシミュレーション結果。

この論文で使用した Si LIMS は n+pn-np+ 構造であり、その概略図を図 1b に示します。 LIMS の n+ 層、p-ベース層、n- 層、n-ドリフト層、p+ 層の厚さとドーパント濃度は、「シミュレーション」セクションの説明と同じです。カソード電極端から光トリガー領域まで延びるｎ＋層の距離ｌは約３０μｍである。図 4 は、準備された Si LIMS の写真を示しています。LIMS チップの直径は 23 mm です。

Si LIMS チップの写真。

図5はLIMSのスイッチング特性を評価するための概略回路図です。図中、Cは蓄積コンデンサ(1μF)、Rchargeは充電抵抗(1kΩ)、Rcは負荷抵抗、Lcは浮遊インダクタンスを表します。ここで、Rc は LIMS と Load の抵抗に相当します。 Lc は寄生インダクタンスで、LIMS やその他のデバイスのレイアウト配線に起因します。 980 nm LD (レーザーエネルギー 120 μJ、パルス幅 200 ns) を、Si LIMS をトリガーするための光源として使用しました。 LIMS を介した出力電流測定は、感度と応答時間がそれぞれ 0.1 V/A と 2.2 ns のロゴスキーコイルを使用して実行されました。入力電圧測定は、Tektronix P6015A 高電圧プローブを使用して測定されました。

LIMSのスイッチング特性を評価するための概略回路図。

図 5 に示すように、コンデンサ C は、LIMS がオフ状態に維持されている間に充電され、LIMS がトリガされると RLC 回路を通じて放電します。

高温 (125 °C) で、準備された LIMS の漏れ電流が測定され、5 kV の DC 電圧で約 500 μA でした (従来のサイリスタの漏れ電流は 1 mA より大きくなります)。 LIMS の漏れ電流が大きいと、コンデンサの充電電流の一部が LIMS で偏って RLC 回路に流れ、コンデンサの充電に時間がかかります。

次に、LIMS のターンオン特性を測定します。図 6a は、室温で 4 kV の電圧での LIMS の放電波形を示しています。図6aより、出力電流のピーク値は約10.4kA、di/dtは35kA/μsであることがわかります。

電圧 4 kV での LIMS の室温 (a)、125 °C (b)、85 °C (c)、および -55 °C (d) での放電波形。

図6bは、125℃で4kVの電圧でのLIMSの放電波形を示しています（ここで、図5のコンデンサCは0.1μFです）。図 6b では、出力電流のピーク値は約 2 kA、di/dt は 12 kA/μs です。図 6c は、85 °C で 4 kV の電圧での LIMS の放電波形を示しています。図6cでは、出力電流のピーク値は約10.2 kA、di/dtは約30 kA/μsです。

−55℃の低温におけるLIMSの特性も測定されました。放電波形を図6dに示します。出力電流のピーク値は約 12.1 kA、di/dt は約 43 kA/μs です。

準備された LIMS は高温でも安定して動作し、漏れ電流は 125 °C で約 500 μA、出力電流は 85 °C で 10.2 kA に達することができる (di/dt は 30 kA/より大きい) という結論が得られます。 μs)。

高温での LIMS の特性を最適化するために、n+ 層の最適化、円形光ゲート、および新しいスタイルのエッジ終端を備えた LIMS の新しい構造を提案します。LIMS の直径は 23 mm です。実験結果は、提案された LIMS の漏れ電流が 125 °C で 1 mA 以上から 500 μA に減少し、LIMS の出力電流が 85 °C で 4 kV の電圧で 10.2 kA であることを示しています。 LIMS の出力電流は、-55 °C で電圧 4 kV で 12.1 kA です。さらに、di/dtは30kA/μsより大きい。 LIMS は、HVDC 伝送またはパルス電力の分野で幅広い応用可能性を持っています。

図 6 を構成するデータは、合理的な要求に応じて対応著者から入手できます。

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この研究は、中国国家自然科学財団の支援を受けました (助成金番号 61504127 および 51807185)。

中国工学物理学会流体物理研究所、パルスパワー主要研究室、私書箱 919-108、綿陽、621900、中国

Chongbiao Luan、Hongwei Liu、Jiabin Fu、Yang He、Le Xu、Lingyun Wang、Jianqiang Yuan、Yupeng Huang

山東大学ノバル半導体研究所、済南、250100、中国

シャオ・ロンフェイ＆フォン・ジュオユン

山東大学結晶材料国家重点研究所、済南、250100、中国

シャオ・ロンフェイ＆フォン・ジュオユン

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CL、HL、LW が主要な原稿テキストを書き、YH が図を作成しました。 1 と 2。著者全員が原稿をレビューしました。

袁建強氏への対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Luan、C.、Liu、H.、Fu、J. 他。高温用のSiベースの光開始マルチゲート半導体スイッチの研究。 Sci Rep 12、15508 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-19767-4

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受信日: 2022 年 3 月 20 日

受理日: 2022 年 9 月 5 日

公開日: 2022 年 9 月 15 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-19767-4

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