2020-03-17
2020-03-09
la grande majorité des puces de circuits intégrés à semi-conducteurs utilisées aujourd'hui reposent sur des transistors à effet de champ semi-conducteurs (mosfets), dont les avantages électroniques et opérationnels La physique des appareils est résumée dans le chapitre de Katsumata et ailleurs. étant donné l'extrême l'utilité et le succès de l'électronique mosfet à canal d'inversion en silicium vlsi (ainsi que dispositifs discrets de puissance au silicium), il est naturellement souhaitable de mettre en œuvre une inversion haute performance canaux mosfets à sic. comme le silicium, sic forme un thermique quand il est suffisamment chauffé dans un environnement d'oxygène. alors que cela permet à la technologie sic mos de suivre un peu le succès chemin de la technologie mos silicium, il existe néanmoins des différences importantes dans la qualité de l'isolant et traitement des dispositifs qui empêchent actuellement sic mosfets de réaliser leur plein bénéfice potentiel. tandis que le discours suivant tente de mettre en évidence rapidement les principaux problèmes rencontrés sic mosfet développement, des informations plus détaillées peuvent être trouvées dans les références 133-142. d'un point de vue purement électrique, il existe deux déficiences opérationnelles majeures des oxydes mosfets par rapport aux mosfets de silicium. d'abord, les mobilités efficaces des canaux d'inversion dans la plupart des mosfets sic sont inférieurs à ce que l'on pourrait attendre en se basant sur les mobilités des porteurs de mosfet du canal d'inversion de silicium. cela réduit sérieusement le gain du transistor et la capacité de transport de courant des mosfets sic, de sorte que sic les mosfets ne sont pas aussi avantageux que prévu théoriquement. en second lieu, les oxydes de sic n'ont pas prouvé aussi fiable et immuable que les oxydes de silicium bien développés, en ce sens que les mosfets sic sont plus enclins à les variations de tension de seuil, les fuites de la grille et les défaillances d'oxyde par rapport aux mosfets de silicium polarisés de manière comparable. dans particulier, les défauts de performance électrique de l'oxyde de mosfet sic sont attribués aux différences entre structure d'interface et de qualité d'oxyde thermique de silicium et de sic qui provoque l'apparition indésirable de l'oxyde sic niveaux plus élevés de densités d'état d'interface ( ), des charges d'oxyde fixes ( ), le piégeage de charge, le tunneling d'oxyde porteur et la mobilité réduite des porteurs de canaux d'inversion. en soulignant les difficultés rencontrées par le développement de sic mosfet, il est important de garder à l'esprit que les premiers mosfets de silicium ont également fait face à des défis de développement qui ont pris de nombreuses années de recherche dédiée efforts pour surmonter avec succès. en effet, d'énormes améliorations dans la performance du dispositif mos 4h-sic ont été atteints au cours des dernières années, donnant l'espoir que les dispositifs de mosfet de pu...
Les dispositifs à semi-conducteurs sic hostiles à l'environnement hostile présentent peu d'avantages s'ils ne peuvent pas être emballés et connectés de manière fiable pour former un système complet capable de fonctionner dans un environnement hostile. Avec une sélection appropriée des matériaux, des modifications des technologies d'emballage ic existantes semblent réalisables pour des emballages de circuits non électriques jusqu'à 300 ° C. Des travaux récents commencent à répondre aux besoins des applications électroniques aérospatiales les plus exigeantes, dont les exigences comprennent le fonctionnement dans des environnements oxydants-ambiants à haute température variant de 500 à 600 ° C, parfois avec une puissance très élevée. par exemple, certains prototypes de boîtiers électroniques et de circuits imprimés pouvant supporter plus de mille heures à 500 ° C ont été démontrés. Les composants passifs à environnement sévère tels que les inductances, les condensateurs et les transformateurs doivent également être développés pour fonctionner dans des conditions exigeantes avant que les avantages complets de l'électronique sic décrits au paragraphe 5.3 puissent être réalisés avec succès.
cette section résume brièvement une variété de conceptions d'appareils électroniques sic ventilées par principaux domaines d'application. Les problèmes liés aux processus et aux technologies matérielles qui limitent les capacités des différentes topologies de périphériques sic sont mis en évidence comme des problèmes clés à aborder dans la maturation de la technologie sic. Tout au long de cette section, il deviendra évident pour le lecteur que le défi le plus difficile qui empêche l'électronique sic d'atteindre pleinement ses capacités bénéfiques est d'atteindre une fiabilité opérationnelle élevée à long terme, tout en fonctionnant dans des régimes de température et de puissance. Parce que de nombreuses limitations de fiabilité des appareils peuvent être attribuées aux problèmes de matériaux et de jonctions / interfaces fondamentaux déjà mentionnés dans les sections 5.4 et 5.5, les efforts pour permettre une électronique sic utile (c'est-à-dire fiable) devraient porter sur ces domaines fondamentaux.
le large bandgap de sic est utile pour réaliser l'optoélectronique bleue et ultraviolette (uv) à courte longueur d'onde. Les diodes électroluminescentes à jonction pn à base de 6 h-sic (leds) ont été les premiers dispositifs semi-conducteurs pour couvrir la partie bleue du spectre de couleurs visibles, et sont devenus les premiers dispositifs à base de sic pour atteindre ventes commerciales à grand volume. parce que le bandgap de sic est indirect (c'est-à-dire, le minimum de conduction et la bande de valence maximale ne coïncident pas dans l'espace du moment cristallin), recombinaison luminescente est intrinsèquement inefficace. par conséquent, les leds basées sur les jonctions sic pn ont été rendues obsolètes par l'émergence d'un groupe III-nitrure de groupe bande-bande directe beaucoup plus brillant et beaucoup plus efficace (iii-n tel comme gan, et ingan) leds bleues. cependant, les gaufrettes sic sont toujours utilisées comme l'un des substrats (avec le saphir) pour la croissance des couches iii-n utilisées dans la fabrication en grand volume de vert et de bleu leds à base de nitrure. sic s'est avéré beaucoup plus efficace pour absorber la lumière à courte longueur d'onde, ce qui a permis réalisation de photodiodes sic-sensibles aux UV qui servent d'excellents capteurs de flamme dans les turbomachines surveillance et contrôle de la combustion. le large bandgap de 6h-sic est utile pour réaliser courants d'obscurcissement de photodiode bas ainsi que des capteurs aveugles aux longueurs d'onde proches de l'infrarouge non désirées produit par la chaleur et le rayonnement solaire. capteurs de flamme uv commerciaux à base de sic, toujours basés sur l'épitaxie les diodes de jonction pn 6h-sic pn mesa-isolées et séchées à mat, ont réussi à réduire la pollution nuisible les émissions des turbines au sol alimentées au gaz utilisées dans les systèmes de production d'énergie électrique. la Les faibles courants sombres des diodes sic sont également utiles pour la détection des rayons X, des ions lourds et des neutrons dans le nucléaire. la surveillance des réacteurs et l'amélioration des études scientifiques sur les collisions de particules à haute énergie radiation .
l'utilisation principale des dispositifs sic rf semble résider dans l'amplification de haute puissance à haute fréquence à l'état solide à des fréquences d'environ 600 mhz (bande uhf) à peut-être aussi élevée que quelques gigahertz (bande x). comme discuté plus en détail dans les références 5, 6, 25, 26, 159 et ailleurs, la tension de claquage élevée et la conductivité thermique élevée couplées à une vitesse de saturation de porteuse élevée permettent aux transistors sic rf de traiter des densités de puissance beaucoup plus élevées que leur silicium ou gaas. homologues rf, malgré l'inconvénient de sic dans la mobilité des transporteurs à faible champ (tableau 5.1). la conductivité thermique plus élevée de sic est également cruciale pour minimiser l'auto-échauffement des canaux, de sorte que la diffusion des phonons ne dégrade pas sérieusement la vitesse du porteur. ces arguments de puissance rf d'avantage matériel s'appliquent à une variété de structures de transistors différentes telles que des transistors à induction statique (mesits) et d'autres semi-conducteurs à large bande interdite (tels que des groupes iii-nitrures) outre sic. la densité de puissance élevée des transistors à large bande passante s'avérera très utile dans la réalisation d'applications d'émetteur à semi-conducteurs, où une puissance plus élevée avec une taille et une masse plus petites est cruciale. moins de transistors capables de fonctionner à des températures plus élevées réduisent les besoins d'adaptation et de refroidissement, ce qui réduit la taille globale et le coût de ces systèmes. Les mesfets RF à haute fréquence basés sur sic sont maintenant disponibles dans le commerce. cependant, il est important de noter que cela s'est produit après des années de recherche fondamentale retrouvé et éliminé une mauvaise fiabilité en raison des effets de piégeage de charge provenant des substrats semi-isolants immatures, des épilayeurs de dispositifs et de la passivation de surface. Le développement de substrats sic semi-isolants de haute pureté (nécessaires pour minimiser les capacités des dispositifs parasites) avec un piégeage de charge beaucoup moins important que les plaquettes semi-isolantes semi-isolantes dopées au vanadium. Les dispositifs de mesfet sic fabriqués sur des substrats semi-isolants sont concevablement moins sensibles. Principalement parce qu'une micropipe d'axe C ne peut plus court-circuiter deux côtés conducteurs d'une jonction à champ élevé dans la plupart des zones de la structure du canal latéral. Les diodes mélangeuses sic montrent également une excellente promesse pour réduire les interférences d'intermodulation indésirables dans les récepteurs RF. une amélioration de plus de 20 db de la plage dynamique a été démontrée en utilisant des mélangeurs à diode sic schottky non optimisés. après un développement et une optimisation plus poussés, les mélangeurs à base de sic devraient améliorer l'immunité aux interférences dans des situations (comme dans les avi...
la plupart des circuits de conditionnement de signaux analogiques et logiques numériques sont considérés comme un \"niveau de signal\" dans les transistors individuels dans ces circuits, il ne faut généralement pas plus de quelques milliampères de courant et \u003c20 v pour fonctionner correctement. les circuits silicium-sur-isolant disponibles dans le commerce peuvent effectuer des fonctions de niveau de signal numériques et analogiques complexes jusqu'à 300 ° C lorsqu'une sortie haute puissance n'est pas requise [163]. Outre les ics dans lesquels il est avantageux de combiner fonctions de niveau avec haute / unique ou sic capteurs / mems uniques sur une seule puce, plus coûteux circuits sic uniquement l'exécution de fonctions de niveau de signal de faible puissance semble largement injustifiable pour les applications à faible rayonnement à des températures en dessous de 250-300 ° c. à ce jour, il n'y a pas de transistors semi-conducteurs ou de circuits intégrés disponibles dans le commerce (sic ou autre) pour une utilisation à des températures ambiantes supérieures à 300 ° c. même si les prototypes de laboratoire à haute température sic ont s'est considérablement améliorée au cours de la dernière décennie, la réalisation d'une fiabilité opérationnelle à long terme reste le principal réaliser des dispositifs et des circuits utiles de 300 à 600 ° C. technologies de circuit qui ont été utilisées pour implémenter avec succès vlsi les circuits en silicium et gaas tels que cmos, ecl, bicmos, dcfl, etc., sont à des degrés divers candidats pour t \u0026 gt; 300 ° c sic- circuits intégrés. la fiabilité de la porte-isolant à haute température (section 5.5.5) est essentielle à la réalisation réussie de circuits intégrés à base de mosfet. une fuite de la diode schottky porte-à-canal limite la température de fonctionnement maximale des circuits du mesfet sic à environ 400 ° C (section 5.5.3.2). par conséquent, les dispositifs à jonction pn tels que les transistors à jonction bipolaire et les transistors jfets à effet de champ de jonction semblent être plus forts (au moins à court terme) des technologies candidates pour atteindre un fonctionnement de longue durée à 300-600 ° c. ambients. Parce que les circuits de niveau de signal sont exploités à des champs électriques relativement bas en dessous de la tension électrique de la plupart des dislocations, micropipes et autres dislocations affectent les rendements du circuit du niveau de signal à un degré beaucoup plus faible. Au moment d'écrire ces lignes, quelques transistors discrets et de petits circuits logiques de prototype et d'amplificateurs analogiques ont été démontrés en laboratoire en utilisant des variations sic de topologies de dispositifs nmos, cmos, jfet et mesfet. Cependant, aucun de ces prototypes n'est commercialement viable à ce jour, en grande partie en raison de leur incapacité à offrir un fonctionnement électriquement stable de longue durée à des températures ambiantes au-delà du domaine d...
les propriétés matérielles inhérentes et la physique de base derrière les grands avantages théoriques de sic sur silicium pour les dispositifs de commutation de puissance ont été discutés section 5.3.2. De même, il a été discuté dans la section 5.4.5 que les défauts cristallographiques trouvés dans les plaquettes sic et les épilayers sont actuellement un facteur principal limitant la commercialisation des dispositifs de commutation de haute puissance sic utiles. Cette section se concentre sur les aspects de développement supplémentaires des redresseurs de puissance sic et des technologies de transistors à commutation de puissance. La plupart des prototypes de dispositifs de puissance utilisent des topologies et des caractéristiques similaires à celles de silicium, comme le flux vertical de courant élevé à travers le substrat pour maximiser le courant du dispositif en utilisant une surface de plaquette minimale (c.-à-d. contrairement au silicium, cependant, la conductivité relativement faible des substrats sic actuels de type p (section 5.4.3) impose que toutes les structures verticales des dispositifs de puissance soient implémentées en utilisant des substrats de type n afin d'obtenir des densités de courant vertical élevées. . La plupart des compromis de conception des dispositifs sont à peu près parallèles aux compromis bien connus entre les dispositifs d'alimentation en silicium, sauf que les densités de courant, les tensions, les densités de puissance et les vitesses de commutation sont beaucoup plus élevées. pour que les dispositifs de puissance puissent fonctionner avec succès à des tensions élevées, il faut éviter les pannes périphériques dues à l'encombrement du champ électrique par la conception soigneuse du dispositif et le choix correct des matériaux diélectriques isolants / passivants. la tension de crête de nombreux prototypes de dispositifs à haute tension a souvent été limitée par une panne destructrice liée aux arêtes, en particulier dans les dispositifs sic capables de bloquer plusieurs kilovolts. En outre, la plupart des essais de nombreux prototypes de multikilovolts sic ont nécessité de plonger le dispositif dans des fluides spécialisés à haute rigidité diélectrique ou dans des atmosphères gazeuses afin de minimiser les arcs électriques dommageables et les contournements de surface aux périphéries des appareils. Diverses méthodologies de terminaison de bord, dont beaucoup ont été initialement mises au point dans des dispositifs à haute tension de silicium, ont été appliquées à des prototypes de dispositifs de puissance avec plus ou moins de succès, notamment des anneaux de protection en métal et en dopage. les tensions plus élevées et les champs électriques locaux plus élevés imposent des contraintes plus importantes sur l'emballage et sur les matériaux d'isolation des plaquettes, de sorte que certains matériaux utilisés pour isoler / passiver les dispositifs haute tension en silicium peuvent ne pas être suffisants pour une ut...
le redresseur à diodes de forte puissance est un élément essentiel des circuits de conversion de puissance. des revues récentes de résultats de redresseurs de sic expérimentaux sont données dans les références 3, 134, 172, 180 et 181. Les plus importants compromis de conception de dispositif de redressement de diode sic sont des compensations de redresseurs de silicium bien connues, sauf que les densités de courant , les tensions, les densités de puissance et les vitesses de commutation sont beaucoup plus élevées dans sic. par exemple, les redresseurs à diodes schottky à semi-conducteurs sont des dispositifs porteurs connus qui présentent une commutation très rapide en raison de l'absence de stockage de charge des porteurs minoritaires qui les ralentit (entraînant ainsi une perte de puissance et de chaleur indésirable). redresseurs de jonction pn. cependant, le champ de claquage élevé et la bande interdite à large énergie permettent le fonctionnement de diodes Schottky sic métal-semiconducteur à des tensions beaucoup plus élevées (supérieures à 1 kv) qu'avec les diodes schottky à base de silicium qui sont limitées à polariser la fuite thermionique.
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