2020-03-17
2020-03-09
炭化ケイ素（SiC）ベースの半導体電子デバイスおよび回路が現在開発されている 高温、高出力、および高放射条件での使用のために、従来の半導体 適切に実行することはできません。このような極端な条件下で機能する炭化ケイ素の能力 さまざまなアプリケーションやシステムに大幅な改善をもたらすことが期待されています。 これらは公衆電力のエネルギー節約のために大幅に改良された高電圧スイッチングから より強力なマイクロ波電子機器への配電および電気モーター駆動 燃費の良いジェット機と自動車をよりクリーンに燃やすセンサーとコントロール エンジン。パワーデバイスの特定の分野では、理論的な評価によって、 パワーMOS FETおよびダイオード整流器は、より高い電圧および温度範囲で動作し、 優れたスイッチング特性を備えていますが、それに対応してダイサイズは20倍近く小さくなります シリコンベースの定格デバイスです。しかし、これらの驚異的な理論的利点はまだ広範ではない 商業的に入手可能な装置で実現されたのは、主に、sicの比較的未成熟 結晶成長およびデバイス製造技術は、必要な程度にはまだ十分に開発されていない ほとんどの電子システムに信頼性の高い組み込みが可能です。 この章では、半導体のエレクトロニクス技術について簡単に調査します。特に、 シリコンエレクトロニクス技術とよく知られたシリコンvlsi技術 強調表示されます。 sicエレクトロニクスの予測されるパフォーマンスの利点は、いくつかの大規模な アプリケーション。現在重要な結晶成長およびデバイス製造の問題は、 高温および高出力のSIC電子回路の能力が識別される。
炭化ケイ素（SiC）材料は、現在、研究開発から市場駆動型製造製品へと変貌しつつある。青色、および紫外発光ダイオード（LED）の世界生産の大部分の基礎として現在使用されている。 sicホモエピタキシーのための新興市場には、高出力スイッチングデバイスおよびsバンドおよびxバンド用のマイクロ波デバイスが含まれる。シリコン基板上のヘテロエピタキシャル構造の応用には、LEDおよびマイクロ波デバイスが含まれる。これらのエキサイティングなデバイスの結果は、siとgaに比べてSICによって提供されるユニークな電気的および熱物理学的特性の利用によるものです。これらの中には、高温動作および耐放射線性のための大きなバンドギャップ、高出力のための高臨界破壊電界;高周波動作のための高い飽和電子速度;高出力デバイスの熱管理のための著しく高い熱伝導率。
炭化ケイ素は、ポリタイプと呼ばれる多くの異なる結晶構造で生じる。全てのシックポリタイプが化学的に50％のケイ素原子と共有結合した50％の炭素原子からなるにもかかわらず、それぞれのポリタイプはそれ自身の別個の電気的半導体特性セットを有する。 100種類を超える既知のポリタイプが存在するが、電子半導体として使用するのに許容される再現可能な形態では、わずかしか成長しない。エレクトロニクスのために現在開発されている最も一般的なポリタイプは、3c-sic、4h-sic、および6h-sicです。 2つの最も一般的なポリタイプの原子結晶構造は、図の概略断面図に示されている。参考文献9および10でより完全に議論されているように、異なるpolytypesは実際にはsi-c二重層（si-c二重層とも呼ばれる）の異なる積層順序で構成され、各単一si-c二重層は点線図のボックス。二重層内の各原子は、同じ（それ自身の）二重層中の他の原子との3つの共有化学結合、および隣接する二重層内の原子に対する1つの結合のみを有する。図5.1aは、c軸積層方向に沿った単位セル反復距離（ミキサーインデックスで示される）を定義するために4つのsi-c二重層を必要とする、4h-polyポリタイプの積み重ねシーケンスの二重層を示す。同様に、6hのポリタイプは、積層方向に沿って結晶全体にわたって6つの二重層ごとにその積層順序を繰り返す。図に描かれた方向は、a軸方向の1つと（しばしば）一緒に呼ばれる。 sicは、c軸に垂直な一方の表面がシリコン原子で終端され、反対の通常のc軸表面が炭素原子で終端されるという点で、c軸を横切る極性半導体である。示されるように、これらの表面は、典型的にはそれぞれ「シリコン面」および「カーボン面」表面と呼ばれる。図の左端または右端に沿った原子は、その方向に垂直な「a面」結晶表面上に存在する。 β-sicとも呼ばれる3c-sicは、立方晶の格子構造を有する唯一の形態の構造である。 sicの非立方体のポリタイプは時にはあいまいにα-sicと呼ばれます。 4h-sicおよび6h-sicは、六角形の結晶構造を有する多くの可能性のあるsicポリタイプのうちの2つだけである。同様に、15r-sicは、菱面体構造の結晶構造を有する多くの可能性のある多型の中で最も一般的である。
Si結晶格子内のSi原子とC原子の配置が異なるため、各ポリタイプ 固有の基本的な電気的および光学的特性を示す。より重要な半導体のいくつか 3c、4hおよび6hポリポリタイプの電気的特性を表5.1に示す。はるかに 詳細な電気的特性は参考文献11〜13およびその中の参考文献に見出すことができる。 〜の中でさえ ポリタイプが与えられると、いくつかの重要な電気的特性は非等方性であり、それらは強力な機能である 電流の結晶学的方向および印加された電場（例えば、電子移動度 6時間の間）。 sic中のドーパント不純物は、エネルギー的に不等な部位に取り込むことができる。すべて 様々なドーパント組み込みサイトに関連するドーパントイオン化エネルギーは、通常、 表5.1には各イオンの最も浅く報告されたイオン化エネルギーのみが記載されています 不純物。
炭化ケイ素は、ポリタイプと呼ばれる多くの異なる結晶構造で生じる。より包括的な sic結晶学およびポリタイプへの導入は、文献9に見出すことができる。 全てのシックポリタイプは化学的に50％ケイ素原子と共有結合した50％炭素原子からなり、 各SIPポリタイプは、それ自身の異なるセットの電気半導体特性を有する。終わっている間に 100種類の公知のポリタイプのポリクローナル抗体であり、使用するのに許容される再現性のある形態 電子半導体として。現在最も一般的なpolytypesは、 エレクトロニクスは3c-sic、4h-sic、および6h-sicです。最も一般的な2つの原子結晶構造 ポリタイプは、図5.1の概略断面図に示されている。より詳細に議論されているように 参考文献9および10では、異なるポリタイプのsicは、実際には、異なるスタッキング配列 のsi-c二重層（si-c二重層とも呼ばれる）であり、各単一si-c二重層は点線 図5.1のボックス。二重層内の各原子は、他の原子と3つの共有化学結合を有する 同じ（それ自身の）二重層、および隣接する二重層中の原子へのただ一つの結合のみを含む。図5.1aは、 ユニットを定義するために4つのsi-c二重層を必要とする4hポリポリタイプの積み重ねシーケンスの二重層 c軸積層方向に沿ったセル反復距離（ミキサーインデックスで示される）。同様に、 図5.1bに示す6hポリクチドは、全部で6つの二重層毎にその積層順序を繰り返す 積層方向に沿った結晶。その 図5.1に示す方向は、しばしば （に加えて ） a軸方向。 sicはc軸を横切る極性半導体であり、その一方の面 c軸に垂直な方向はシリコン原子で終端され、反対側の通常のc軸表面 炭素原子で終結する。図5.1aに示すように、これらの面は、通常、 それぞれ「シリコン面」および「カーボン面」面である。図5.1aの左端または右端に沿った原子 「a面」結晶面に存在する 方向に垂直な平面。 3c-sic、 β-sicとも呼ばれ、立方晶の格子構造を有する唯一の形態の構造である。非立方体のポリタイプ 時にはあいまいにα-sicと呼ばれます。 4h-sicと6h-sicは多くのうちの2つだけです。 （a）4h-sicおよび（b）6h-sic原子結晶構造の概略的な断面図であり、 重要な結晶方位と表面。 六方晶系の結晶構造を有する可能性のあるポリタイプ。同様に、15r-sicが最も一般的です 菱面体晶の結晶構造を有する可能性のある多くのsicポリタイプ。
Si結晶格子内のSi原子とC原子の配置が異なるため、各ポリタイプ 固有の基本的な電気的および光学的特性を示す。より重要な半導体のいくつか 3c、4hおよび6hポリポリタイプの電気的特性を表5.1に示す。はるかに 詳細な電気的特性は参考文献11〜13およびその中の参考文献に見出すことができる。 〜の中でさえ ポリタイプが与えられると、いくつかの重要な電気的特性は非等方性であり、それらは強力な機能である 電流の結晶学的方向および印加された電場（例えば、電子移動度 6時間の間）。 sic中のドーパント不純物は、エネルギー的に不等な部位に取り込むことができる。すべて 様々なドーパント組み込みサイトに関連するドーパントイオン化エネルギーは、通常、 表5.1には各イオンの最も浅く報告されたイオン化エネルギーのみが記載されています 不純物。 表5.1主要ポリタイプの重要な半導体電子特性の比較 300 kでシリコン、ガー、2hガン 比較のために、表5.1にはシリコン、ガー、ガンの同等の特性も含まれています。なぜなら シリコンは、ほとんどの商用ソリッドステートエレクトロニクスで採用されている半導体であり、標準である それに対して他の半導体材料を評価しなければならない。さまざまな程度まで ポリタイプは、シリコンと比較して基本的な材料特性に利点と欠点を示す。その 表5.1に挙げられているシリコン上の最も有益な本質的な材料優位性は、例外的に 高耐圧電界、ワイドバンドギャップエネルギー、高熱伝導率、高キャリア飽和 速度。これらの特性のそれぞれが議論される電気装置の性能上の利益 次のセクションでは、改善されたデバイスによって実現されるシステムレベルのメリットもそうです。
sicベースのエレクトロニクスが提供する最も有益な利点のうちの2つは、高温 高出力デバイスの動作を保証します。高温と高温を可能にする特異的なデバイス物理学 高出力機能を最初に検討し、次に革新的なシステムレベルのいくつかの例を検討する これらの強化された機能により、パフォーマンスが向上します。
広いバンドギャップエネルギーと低い固有キャリア濃度により、 シリコンよりもはるかに高い温度での半導体の挙動は、半導体 シリコンよりもはるかに高い温度でデバイスの機能を発揮します。基本的な 半導体電子デバイス物理学教科書、半導体電子デバイス機能 真性キャリアが無視できる温度範囲で、導電率が ドーパント不純物を意図的に導入した。さらに、真性キャリア濃度 望ましくないジャンクション逆バイアス漏れを制御する周知の方程式の基本的な前置係数である 電流。温度が上昇すると、真性キャリアは指数関数的に増加し、望ましくない漏れ 電流が許容できないほど大きくなり、最終的にはさらに高い温度では、半導体 固有のキャリアが意図的に超えると、デバイスの動作は制御されない導電性によって克服される デバイスドーピング。特定のデバイス設計に依存して、シリコンの真性キャリア濃度 シリコンデバイスの動作を接合温度\u003c300℃に制限する。 SICのはるかに小さい 真性キャリア濃度は理論的に接合温度を超えるデバイス動作を可能にします 800°c。 600°Cのデバイス動作は、さまざまな sicデバイス。 冷却されていない高温半導体エレクトロニクスを高温に直接置く能力 自動車、航空宇宙、深井戸掘削に重要な利益をもたらすだろう 産業。自動車および航空宇宙エンジンの場合、改良された電子テレメトリおよび より正確に燃焼を制御するためには、高温エンジン領域からの制御が必要である 汚染物質の排出を抑えながら燃費を改善するプロセスです。高温性能 液体冷却、ファン、サーマルに関連する性能、信頼性、および重量のペナルティを排除します 従来の技術を用いて同様の機能を実現するために必要なシールド シリコン半導体エレクトロニクス。
連絡先
+86-592-5601 404