2020-03-17
2020-03-09
Des circuits électroniques à semi-conducteurs à base de carbure de silicium (sic) sont actuellement développés pour utilisation dans des conditions de haute température, de forte puissance et de rayonnement élevé dans lesquelles des semi-conducteurs conventionnels ne peut pas effectuer correctement. la capacité du carbure de silicium à fonctionner dans de telles conditions extrêmes devrait permettre d'apporter des améliorations significatives à une grande variété d'applications et de systèmes. ceux-ci vont de la commutation à haute tension grandement améliorée pour les économies d'énergie dans l'énergie électrique publique la distribution et le moteur électrique conduit à une électronique hyperfréquence plus puissante pour le radar et les communications aux capteurs et aux commandes d'avions à réaction et d'automobiles à réaction plus économes en carburant moteurs. dans le domaine particulier des dispositifs de puissance, les évaluations théoriques ont indiqué que sic redresseurs de mosfet de puissance et de diode fonctionneraient sur des gammes de tension et de température plus élevées, ont caractéristiques de commutation supérieures, et pourtant ont des tailles de matrice près de 20 fois plus petites que dispositifs à base de silicium. cependant, ces avantages théoriques énormes doivent encore être largement réalisé dans des dispositifs sic disponibles dans le commerce, principalement en raison du fait que sic est relativement immature les technologies de croissance des cristaux et de fabrication des dispositifs ne sont pas encore suffisamment développées au degré requis pour une intégration fiable dans la plupart des systèmes électroniques. ce chapitre présente brièvement la technologie de l'électronique des semi-conducteurs sic. en particulier, les différences (à la fois bon et mauvais) entre la technologie électronique sic et la technologie silicium vlsi bien connu sont mis en évidence. les avantages de performance projetés de l'électronique sic sont mis en évidence pour plusieurs grandes applications. principaux problèmes de croissance des cristaux et de fabrication de dispositifs qui limitent actuellement les performances et la capacité de l'électronique sic à haute et à haute puissance est identifiée.
les matériaux de carbure de silicium (sic) se métamorphosent actuellement de la recherche et du développement en un produit de fabrication axé sur le marché. Les substrats sic sont actuellement utilisés comme base pour une grande partie de la production mondiale de diodes électroluminescentes (LED) vertes, bleues et ultraviolettes. les marchés émergents pour sic homoepitaxy incluent des dispositifs de commutation de haute puissance et des dispositifs hyperfréquences pour les bandes s et x. des applications pour des structures à base de gan hétéroépitaxial sur des substrats sic comprennent des leds et des dispositifs à micro-ondes. Ces résultats passionnants proviennent principalement de l'exploitation des propriétés électriques et thermophysiques uniques offertes par sic par rapport à si et gaas. parmi ceux-ci sont: un large bandgap pour le fonctionnement à haute température et la résistance au rayonnement; champ de décomposition critique élevé pour une sortie de forte puissance; vitesse élevée des électrons saturés pour un fonctionnement à haute fréquence; conductivité thermique significativement plus élevée pour la gestion thermique des dispositifs haute puissance.
le carbure de silicium se trouve dans de nombreuses structures cristallines différentes, appelées polytypes. malgré le fait que tous les polytypes sic sont chimiquement constitués de 50% d'atomes de carbone liés de manière covalente avec 50% d'atomes de silicium, chaque polytype sic a son propre ensemble distinct de propriétés semi-conductrices électriques. Bien qu'il existe plus de 100 polytypes connus de sic, seulement quelques-uns sont couramment cultivés sous une forme reproductible acceptable pour une utilisation comme semi-conducteur électronique. les polytypes de sic les plus couramment développés pour l'électronique sont 3c-sic, 4h-sic et 6h-sic. La structure cristalline atomique des deux polytypes les plus courants est représentée dans la section transversale schématique de la figure. comme discuté beaucoup plus en détail dans les références 9 et 10, les différents polytypes de sic sont en fait composés de différentes séquences d'empilement de bicouches si-c (aussi appelées doubles couches si-c), où chaque bicouche si-c unique est désignée par le pointillé. boîtes dans la figure. chaque atome dans une bicouche a trois liaisons chimiques covalentes avec d'autres atomes dans la même bicouche (sa propre), et une seule liaison à un atome dans une bicouche adjacente. La figure 5.1a montre la bicouche de la séquence d'empilement du polytype 4h-sic, qui nécessite quatre bicouches si-c pour définir la distance de répétition de la cellule unitaire le long de la direction d'empilage de l'axe c (indiquée par les indices de meulage). de même, le polytype 6h-sic répète sa séquence d'empilement tous les six bicouches dans tout le cristal le long de la direction d'empilement. La direction représentée sur la figure est souvent appelée l'une des directions de l'axe a (avec). sic est un semi-conducteur polaire sur l'axe c, en ce sens qu'une surface normale à l'axe c est terminée par des atomes de silicium tandis que la surface normale de l'axe c opposé est terminée par des atomes de carbone. comme représenté, ces surfaces sont généralement appelées surfaces de "face de silicium" et "face de carbone", respectivement. les atomes le long du bord gauche ou droit de la figure se trouveraient sur un plan de surface cristallographique "a-face" normal à la direction. 3c-sic, également appelé β-sic, est la seule forme de sic avec une structure de réseau cristallin cubique. les polytypes non-cubiques de sic sont parfois appelés ambiguës α-sic. 4h-sic et 6h-sic ne sont que deux des nombreux polytypes sic possibles avec une structure cristalline hexagonale. de même, 15r-sic est le plus commun des nombreux polytypes sic possibles avec une structure cristalline rhomboédrique.
en raison de la disposition différente des atomes si et c dans le réseau cristallin sic, chaque polytype sic présente des propriétés électriques et optiques fondamentales uniques. certains des semi-conducteurs les plus importants les propriétés électriques des polytypes sic 3c, 4h et 6h sont données dans le tableau 5.1. beaucoup plus les propriétés électriques détaillées peuvent être trouvées dans les références 11-13 et les références qui s'y trouvent. même dans un donné polytype, certaines propriétés électriques importantes sont non isotropes, en ce sens qu'ils sont des fonctions fortes de la direction cristallographique du courant et du champ électrique appliqué (par exemple, mobilité électronique) pour 6h-sic). les impuretés dopantes dans sic peuvent s'incorporer dans des sites énergétiquement inéquivalents. alors que tout les énergies d'ionisation de dopant associées à divers sites d'incorporation de dopants devraient normalement être Considéré avec la plus grande précision, le tableau 5.1 liste uniquement les énergies d'ionisation les moins profondes de chaque impureté.
le carbure de silicium se trouve dans de nombreuses structures cristallines différentes, appelées polytypes. un plus complet introduction à la cristallographie sic et le polytypisme peut être trouvé dans la référence 9. en dépit du fait que tous les polytypes sic sont chimiquement constitués de 50% d'atomes de carbone liés par covalence avec 50% d'atomes de silicium, chaque polytype sic a son propre ensemble distinct de propriétés semi-conductrices électriques. alors qu'il y a plus de 100 polytypes connus de sic, seulement quelques-uns sont couramment cultivés sous une forme reproductible acceptable pour l'utilisation en tant que semi-conducteur électronique. les polytypes de sic les plus courants actuellement développés pour l'électronique est 3c-sic, 4h-sic et 6h-sic. la structure des cristaux atomiques des deux plus communs les polytypes sont représentés dans la section transversale schématique de la figure 5.1. comme discuté beaucoup plus en profondeur dans références 9 et 10, les différents polytypes de sic sont en fait composés de différentes séquences d'empilement de bicouches si-c (aussi appelées doubles couches si-c), où chaque bicouche si-c est désignée par le pointillé cases de la figure 5.1. chaque atome dans une bicouche a trois liaisons chimiques covalentes avec d'autres atomes dans la même (sa propre) bicouche, et une seule liaison à un atome dans une bicouche adjacente. La figure 5.1a montre bicouche de la séquence d'empilement du polytype 4h-sic, qui nécessite quatre bicouches si-c pour définir l'unité la distance de répétition de la cellule le long de la direction d'empilement de l'axe c (désignée par les indices de l'injecteur). De même, le polytype 6h-sic illustré à la figure 5.1b répète sa séquence d'empilement tous les six bicouches le cristal le long de la direction d'empilement. la direction représentée sur la figure 5.1 est souvent désigné comme l'un des (de même que ) les directions de l'axe a. sic est un semi-conducteur polaire à travers l'axe c, dans cette surface normale à l'axe c est terminée avec des atomes de silicium tandis que la surface de l'axe c normale opposée est terminée par des atomes de carbone. comme le montre la figure 5.1a, ces surfaces sont généralement appelées Faces \"face de silicium\" et \"face de carbone\", respectivement. atomes le long du bord gauche ou droit de la figure 5.1a résiderait sur la surface de cristal \"a-face\" avion normal à la direction. 3c-sic, également appelé β-sic, est la seule forme de sic avec une structure de réseau cristallin cubique. les polytypes non-cubiques de sic sont parfois appelés de manière ambiguë α-sic. 4h-sic et 6h-sic n'en sont que deux. figure 5.1 Représentations schématiques transversales de (a) structure cristalline atomique 4h-sic et (b) 6h-sic, montrant directions et surfaces cristallographiques importantes. polytypes sic possibles avec structure cristalline hexagonale. de même, 15r-sic est le plus commun de la beaucoup de polytypes sic possibles avec un...
en raison de la disposition différente des atomes si et c dans le réseau cristallin sic, chaque polytype sic présente des propriétés électriques et optiques fondamentales uniques. certains des semi-conducteurs les plus importants les propriétés électriques des polytypes sic 3c, 4h et 6h sont données dans le tableau 5.1. beaucoup plus les propriétés électriques détaillées peuvent être trouvées dans les références 11-13 et les références qui s'y trouvent. même dans un donné polytype, certaines propriétés électriques importantes sont non isotropes, en ce sens qu'ils sont des fonctions fortes de la direction cristallographique du courant et du champ électrique appliqué (par exemple, mobilité électronique) pour 6h-sic). les impuretés dopantes dans sic peuvent s'incorporer dans des sites énergétiquement inéquivalents. alors que tout les énergies d'ionisation de dopant associées à divers sites d'incorporation de dopants devraient normalement être Considéré avec la plus grande précision, le tableau 5.1 liste uniquement les énergies d'ionisation les moins profondes de chaque impureté. Tableau 5.1comparaison des propriétés électroniques importantes des semi-conducteurs sélectionnés des principaux polytypes sic avec du silicium, gaas et 2h-gan à 300 k à titre de comparaison, le tableau 5.1 comprend également des propriétés comparables de silicium, gaas et gan. car le silicium est le semi-conducteur employé dans la plupart des électroniques à semi-conducteurs commerciaux, c'est la norme contre lequel d'autres matériaux semi-conducteurs doivent être évalués. à des degrés divers, la principale sic les polytypes présentent des avantages et des inconvénients en ce qui concerne les propriétés de base du matériau par rapport au silicium. la Les supériorités matérielles intrinsèques les plus bénéfiques de sic sur le silicium listées dans le tableau 5.1 sont exceptionnellement champ électrique de claquage élevé, énergie large bande interdite, conductivité thermique élevée et saturation élevée du support rapidité. les avantages de performance de l'appareil électrique que chacune de ces propriétés permet sont discutés dans la section suivante, tout comme les avantages au niveau du système activés par des dispositifs sic améliorés.
deux des avantages les plus bénéfiques que l'électronique à base de sic offrent sont dans les domaines de haute température et le fonctionnement du dispositif à haute puissance. la physique spécifique du dispositif sic qui permet à haute température et capacités de haute puissance seront examinées en premier, suivi de plusieurs exemples de niveau système révolutionnaire améliorations de performance ces capacités améliorées permettent.
l'énergie de large bandgap et la faible concentration intrinsèque de sic permettent à sic de maintenir comportement des semi-conducteurs à des températures beaucoup plus élevées que le silicium, ce qui permet à son tour sic semi-conducteur fonctionnalité du dispositif à des températures beaucoup plus élevées que le silicium. comme discuté en base manuels électroniques de physique de dispositif électronique de semi-conducteur, dispositifs électroniques de semi-conducteur fonction dans la plage de température où les porteurs intrinsèques sont négligeables de sorte que la conductivité est contrôlée par intentionnellement introduit des impuretés dopantes. en outre, la concentration de porteurs intrinsèque est un préfacteur fondamental aux équations bien connues gouvernant la fuite non désirée de polarisation inverse de jonction courants. à mesure que la température augmente, les porteurs intrinsèques augmentent de façon exponentielle de sorte qu'une fuite indésirable les courants croissent inacceptablement grande, et finalement à des températures encore plus élevées, le semi-conducteur le fonctionnement du dispositif est surmonté par une conductivité incontrôlée car les porteurs intrinsèques dépassent intentionnellement dopages de l'appareil. en fonction de la conception spécifique du dispositif, la concentration intrinsèque du silicium limite généralement le fonctionnement du dispositif de silicium aux températures de jonction \u003c300 ° C. sic est beaucoup plus petit La concentration intrinsèque de porteurs permet théoriquement le fonctionnement du dispositif à des températures de jonction dépassant 800 ° c. 600 ° C sic fonctionnement du dispositif a été démontré expérimentalement sur une variété de appareils sic. la possibilité de placer directement l'électronique de semi-conducteur à haute température non refroidie dans chaud les environnements permettraient des avantages importants aux secteurs de l'automobile, de l'aérospatiale et du forage en puits profonds les industries. dans le cas des moteurs automobiles et aéronautiques, amélioration de la télémétrie électronique et le contrôle des régions du moteur à haute température est nécessaire pour contrôler plus précisément la combustion processus visant à améliorer l'efficacité énergétique tout en réduisant les émissions polluantes. capacité à haute température élimine les pénalités de performance, de fiabilité et de poids associées au refroidissement liquide, aux ventilateurs, aux blindage, et des longueurs de fil plus longues nécessaires pour réaliser une fonctionnalité similaire dans les moteurs en utilisant classique électronique de semi-conducteur de silicium.
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