В настоящее время разрабатываются полупроводниковые электронные устройства и схемы на основе карбида кремния (sic) для использования в условиях высокой температуры, высокой мощности и высокой радиации, при которых обычные полупроводники не могут адекватно выполнять. способность карбида кремния функционировать в таких экстремальных условиях как ожидается, позволит значительно улучшить множество приложений и систем. они варьируются от значительно улучшенного высоковольтного переключения для экономии энергии в электроэнергии общего пользования распределения и электропривода к более мощной микроволновой электронике для радиолокации и связи к датчикам и средствам управления для более чистого сжигания более экономичных реактивных самолетов и автомобилей двигатели. в конкретной области энергетических устройств теоретические оценки показали, что sic мощные МОП-транзисторы и диодные выпрямители будут работать в более высоких диапазонах напряжения и температуры, имеют превосходные коммутационные характеристики, и тем не менее имеют размеры матрицы почти в 20 раз меньше, чем соответственно рассчитанные на кремниевые устройства. однако эти огромные теоретические преимущества еще не получили широкого распространения реализованных в коммерчески доступных силовых устройствах, в первую очередь из-за того, что sic относительно незрелые технологии роста кристаллов и технологии изготовления устройств еще недостаточно развиты до требуемой степени для надежного включения в большинство электронных систем. эта глава кратко рассматривает технологию полупроводниковой электроники sic. в частности, различия (как хорошие, так и плохие) между технологией sic electronics и известной технологией кремния vlsi выделены. прогнозируемые эксплуатационные преимущества силовой электроники выделяются для нескольких крупномасштабных Приложения. ключевых факторов роста кристаллов и изготовления устройств, которые в настоящее время ограничивают производительность и определены возможности высокотемпературной и мощной силовой электроники....
материалы карбида кремния (sic) в настоящее время преобразуются из исследований и разработок в продукт, ориентированный на рынок. sic субстраты в настоящее время используются в качестве основы для значительной части мирового производства зеленых, синих и ультрафиолетовых светодиодов (светодиодов). развивающиеся рынки для sic homoepitaxy включают в себя мощные коммутационные устройства и микроволновые устройства для диапазона s и x. приложения для гетероэпитаксиальных основанных на гане структур на сильных субстратах включают светодиоды и микроволновые устройства. эти захватывающие результаты устройства обусловлены прежде всего использованием уникальных электрических и теплофизических свойств, предлагаемых sic по сравнению с si и gaas. среди них: большая запрещенная зона для высокотемпературной работы и радиационной стойкости; высокое критическое поле пробоя для мощной мощности; высокая скорость насыщенного электрона для высокочастотной работы; значительно более высокая теплопроводность для теплового управления мощными устройствами.
карбид кремния встречается во многих различных кристаллических структурах, называемых политипами. несмотря на то, что все химические политипы химически состоят из 50% атомов углерода, ковалентно связанных с 50% атомов кремния, каждый политический тип имеет свой собственный набор электрических свойств полупроводника. в то время как существует более 100 известных политипов sic, только некоторые из них обычно выращиваются в воспроизводимой форме, приемлемой для использования в качестве электронного полупроводника. наиболее распространенными полититами sic, которые в настоящее время разрабатываются для электроники, являются 3c-sic, 4h-sic и 6h-sic. атомная кристаллическая структура двух наиболее распространенных политипов показана в схематическом разрезе на рисунке. как обсуждалось гораздо более подробно в ссылках 9 и 10, различные типы политипов sic фактически состоят из различных последовательностей стекирования si-c bilayers (также называемых si-c двойными слоями), где каждый одиночный si-c-бислой обозначается пунктиром коробки на рисунке. каждый атом в двухслойном состоянии имеет три ковалентные химические связи с другими атомами в одном и том же (своем) двухслойном слое и только одну связь с атомом в соседнем бислое. на рис. 5.1а показан бислой последовательности стекирования 4h-sic polytype, для которой требуется четыре си-c-bilayers для определения расстояния повторения элементарной ячейки вдоль направления укладки по оси c (обозначается индексами счетчика). Аналогично, 6h-sic polytype повторяет свою последовательность укладки каждые шесть бислоев по всему кристаллу вдоль направления укладки. Направление, изображенное на рисунке, часто упоминается как одно из (наряду с) направлениями оси a. sic - полярный полупроводник по оси c, поскольку одна поверхность, нормальная к оси c, оканчивается атомами кремния, а противоположная нормальная поверхность оси c заканчивается атомами углерода. как показано, эти поверхности обычно называются поверхностями «поверхность кремния» и «углеродная поверхность» соответственно. атомы вдоль левого или правого края фигуры будут находиться на плоскости поверхности кристалла «a-face», перпендикулярной направлению. 3c-sic, также называемый β-sic, является единственной формой sic с кубической структурой кристаллической решетки. noncubic polytypes of sic иногда неоднозначно называют α-sic. 4h-sic и 6h-sic являются лишь двумя из многих возможных политипов с гексагональной кристаллической структурой. аналогичным образом, 15r-sic является наиболее распространенным из многих возможных политипов sic с ромбоэдрической кристаллической структурой....
из-за различного расположения атомов si и c в sic-кристаллической решетке каждый si-политип обладает уникальными фундаментальными электрическими и оптическими свойствами. некоторые из наиболее важных полупроводников электрические свойства политипов 3c, 4h и 6h приведены в таблице 5.1. намного больше подробные электрические свойства можно найти в ссылках 11-13 и ссылках на них. даже в пределах данный политип, некоторые важные электрические свойства неизотропны, поскольку они являются сильными функциями кристаллографического направления тока и приложенного электрического поля (например, подвижность электронов для 6h-sic). примеси примеси в sic могут быть включены в энергетически неэквивалентные сайты. тогда как все энергии ионизации легирующей примеси, связанные с различными участками включения легирующей примеси, обычно должны быть рассмотренный для максимальной точности, в таблице 5.1 перечислены только самые мелкие энергии ионизации каждой примеси.
карбид кремния встречается во многих различных кристаллических структурах, называемых политипами. более введение в sic кристаллографию и политиптизм можно найти в ссылке 9. несмотря на то, что все химические политипы химически состоят из 50% атомов углерода, ковалентно связанных с 50% атомов кремния, каждый политический тип имеет свой собственный набор электрических свойств полупроводника. в то время как есть 100 известных политипов sic, только некоторые из них обычно выращиваются в воспроизводимой форме, приемлемой для использования как электронный полупроводник. наиболее распространенные политипы sic, которые в настоящее время разрабатываются для электроника 3c-sic, 4h-sic и 6h-sic. атомная кристаллическая структура двух наиболее распространенных Политипы показаны в схематическом разрезе на рисунке 5.1. как обсуждалось гораздо более подробно в ссылки 9 и 10, различные политипы sic фактически состоят из различных последовательностей стекирования si-c bilayers (также называемые si-c двойными слоями), где каждый одиночный si-c-бислой обозначается пунктиром на рис. 5.1. каждый атом в двухслойном соединении имеет три ковалентные химические связи с другими атомами в один и тот же (свой) двухслойный, и только одна связь с атомом в соседнем бислое. Рисунок 5.1a показывает двухслойной последовательности стекирования 4h-sic polytype, для чего требуется четыре si-c bilayers для определения единицы расстояние повторения ячейки вдоль направления укладки по оси c (обозначается индексами счетчика). по аналогии, 6h-sic polytype, показанный на рисунке 5.1b, повторяет свою последовательность укладки каждые шесть бислоев по всему кристалл вдоль направления укладки. направление, изображенное на рисунке 5.1, часто упоминается как одно из (вместе с ) направления оси а. sic - полярный полупроводник по оси c, причем одна поверхность нормаль к оси c, оканчивается атомами кремния, а противоположная нормальная поверхность оси c заканчивается атомами углерода. как показано на рисунке 5.1a, эти поверхности обычно называются «Поверхность кремния» и «поверхность углерода» соответственно. атомов вдоль левого или правого края рисунка 5.1a будет находиться на поверхности кристалла «a-face» плоскостью, перпендикулярной направлению. 3c-так, также называемый β-sic, является единственной формой sic с кубической кристаллической структурой решетки. некубические политипы sic иногда неоднозначно называют α-sic. 4h-sic и 6h-sic - только два из многих. на рис. 5.1 приведены схематические поперечные изображения (a) 4h-sic и (b) 6h-sic атомной кристаллической структуры, показывающие важные кристаллографические направления и поверхности. возможные ситиполитипы с гексагональной кристаллической структурой. аналогично, 15r-sic является наиболее распространенным из много возможных ситипов с ромбоэдрической кристаллической структурой....
из-за различного расположения атомов si и c в sic-кристаллической решетке каждый si-политип обладает уникальными фундаментальными электрическими и оптическими свойствами. некоторые из наиболее важных полупроводников электрические свойства политипов 3c, 4h и 6h приведены в таблице 5.1. намного больше подробные электрические свойства можно найти в ссылках 11-13 и ссылках на них. даже в пределах данный политип, некоторые важные электрические свойства неизотропны, поскольку они являются сильными функциями кристаллографического направления тока и приложенного электрического поля (например, подвижность электронов для 6h-sic). примеси примеси в sic могут быть включены в энергетически неэквивалентные сайты. тогда как все энергии ионизации легирующей примеси, связанные с различными участками включения легирующей примеси, обычно должны быть рассмотренный для максимальной точности, в таблице 5.1 перечислены только самые мелкие энергии ионизации каждой примеси. таблица 5.1 сопоставление выбранных важных полупроводниковых электронных свойств основных политиков с кремнием, гаазом и 2h-ганом при 300 k для сравнения, таблица 5.1 также включает сравнимые свойства кремния, гааза и гана. потому как кремний является полупроводником, используемым в большинстве коммерческих твердотельных электроники, он является стандартным против которого должны быть оценены другие полупроводниковые материалы. в разной степени основной Политипы демонстрируют преимущества и недостатки основных свойств материала по сравнению с кремнием. наиболее выгодные присущие материальным превосходствам кремния, перечисленные в таблице 5.1, являются его исключительными высокое электрическое поле пробоя, широкая энергия зазоров, высокая теплопроводность и насыщенность носителей скорость. эффективность работы электроприборов, которую обеспечивают каждое из этих свойств, обсуждается в следующем разделе, а также преимущества системного уровня, обеспечиваемые улучшенными sic-устройствами....
два из самых выгодных преимуществ, которые предлагает электроника на основе сикки в области высокотемпературных и работу мощного устройства. специфической физической физике устройства, которая обеспечивает высокую температуру и сначала будут рассмотрены возможности большой мощности, а затем несколько примеров революционного уровня системы улучшенные характеристики, обеспечивающие эти расширенные возможности.
широкая энергия запрещенной зоны и низкая внутренняя концентрация носителей sic позволяют поддерживать полупроводника при гораздо более высоких температурах, чем кремний, что, в свою очередь, позволяет использовать полупроводник sic функциональность устройства при гораздо более высоких температурах, чем кремний. как обсуждалось в полупроводниковые электронные учебники по физике устройств, полупроводниковые электронные устройства в диапазоне температур, где собственные носители пренебрежимо малы, так что проводимость контролируется преднамеренно введенные примеси примеси. кроме того, внутренняя концентрация носителей является фундаментальным префактором к известным уравнениям, связанным с утечкой обратного смещения нежелательного соединения Токи. по мере увеличения температуры внутренние носители экспоненциально возрастают, так что нежелательная утечка токи растут неприемлемо большими и, в конечном счете, при еще более высоких температурах, полупроводник работа устройства преодолевается неконтролируемой проводимостью, поскольку внутренние носители превышают преднамеренные устройства. в зависимости от конструкции конкретного устройства, концентрация первичного носителя кремния как правило, ограничивает работу устройства кремния до температур перехода \u0026 lt; 300 ° c. sic намного меньше Концентрация собственных носителей теоретически позволяет работать устройства при температурах перехода, превышающих 800 ° С. Экспериментально продемонстрирована работа на 600 ° C на различных устройствах sic устройств. возможность размещения неохлаждаемой высокотемпературной полупроводниковой электроники непосредственно в горячей среды позволят обеспечить важные преимущества для автомобильной, аэрокосмической и глубокой скважины промышленности. в случае автомобильных и аэрокосмических двигателей, улучшенной электронной телеметрии и управление из высокотемпературных областей двигателя необходимо для более точного управления сжиганием процесс повышения эффективности использования топлива при одновременном сокращении выбросов загрязняющих веществ. высокотемпературная способность исключает эффективность, надежность и весовые ограничения, связанные с жидкостным охлаждением, вентиляторами, тепловыми экранирования и более длинных проводов, необходимых для реализации аналогичной функциональности в двигателях с использованием обычных кремниевой полупроводниковой электроники....
Контактная информация
luna@powerwaywafer.compowerwaymaterial@gmail.com 
+86-592-5601 404
