2020-03-17
2020-03-09
高い絶縁破壊電界と、高い動作接合部と結合した高熱伝導率 理論的には、温度は理論的には非常に高出力の密度と効率を実現することができます デバイス。シリコンに比べて高い絶縁破壊電界がシリコンのブロッキング電圧領域を可能にします 約10倍薄く、10倍重くドープされ、およそ100倍 同じ電圧定格でブロッキング領域抵抗が有益に減少します。大きなエネルギー 多くのシリコンハイパワーシステム回路、特にハードスイッチングモータードライブと電源の損失 変換回路は、半導体スイッチングエネルギー損失から生じる。一方、 半導体デバイスのスイッチング損失については、他の箇所で詳細に説明しており、スイッチング損失は 多くの場合、半導体スイッチング装置のターンオフ時間の関数であり、一般に ターンオフバイアスの印加からデバイスが実際にほとんど遮断されるまでの時間経過 現在の流れの一般的に、デバイスが速くオフになればなるほど、スイッチでのエネルギー損失は小さくなります 電力変換回路。参考文献3,8、および19-21で議論されているデバイストポロジーの理由から、 高いブレークダウン電界と広いエネルギーバンドギャップにより、可能な場合よりもはるかに高速なパワースイッチングが可能 同等のボルトアンペア定格のシリコンパワースイッチングデバイスで動作します。高電圧動作 sicを使用したはるかに薄いブロッキング領域で達成されます。 ユニポーラとバイポーラのパワーデバイス構造の両方で使用できます。したがって、icベースの電源 変換器は、より高い効率でより高いスイッチング周波数で動作することができる（すなわち、より少ないスイッチング エネルギー損失）。電力変換器におけるより高いスイッチング周波数は、 より小さなコンデンサ、インダクタ、およびトランスの使用が可能になり、全体として大幅に削減することができます 電力コンバータのサイズ、重量、およびコストを削減します。 sicのオン抵抗が小さく、スイッチングが速いとエネルギー損失と発熱を最小限に抑えますが、 sicのより高い熱伝導率は、廃熱エネルギーを活性物質からより効率的に除去することを可能にする デバイス。温度差が大きくなると熱エネルギーの放射効率が大きく上昇するため デバイスと冷却環境との間で、高い接合部温度で動作するSiCの能力は、 はるかに効率的な冷却が行われ、ヒートシンクおよび他のデバイス冷却ハードウェア（すなわちファン 冷却、液体冷却、空調、放熱器など）を使用して、高出力デバイス 過熱から、はるかに小さくすることができますか排除されます。 先の議論では、電力変換のための高電力スイッチングに重点を置いていましたが、 レーダーで使用されるrf信号を生成および増幅するために使用されるデバイスにも同じ議論が適用され、 通信アプリケーション。特に、高耐圧及び高熱伝導率 高いキャリア飽和速度と結合して、マイクロ波デバイスがより高い出力を処理できるようにする シリコンまたはガーゼのrf対応物よりも密度が低いが、低電界キャリア モビリティ...
高温および高出力のSICエレクトロニクスの冷却されていない動作は、革新的な 航空宇宙システムの改善。油圧制御装置と補助動力装置の交換 過酷な周囲動作が可能な分散「スマート」電気機械制御は、 ジェット機の軽量化、メンテナンスの低減、汚染の低減、燃費の向上、 動作信頼性。高出力ソリッドステートスイッチを使用することで 電力管理と制御。エレクトロニック・エレクトロニクスからのパフォーマンスの向上により、 パブリック・パワー・グリッドは、付加的な建設をせずに消費者の電力需要を増加させる スマートな電力管理を通じて電力品質と動作信頼性を向上させることができます。 sicによって有効にされるより効率的な電気モータードライブはまた、産業生産に利益をもたらすでしょう システム、ならびにディーゼル電気鉄道機関車、電気の大量輸送 システム、原子力船、電気自動車、バスなどがあります。 上記の議論から、高出力かつ高温の固体状態 エレクトロニクスは輸送システムに重大な影響を与える可能性のある大きな利点を約束します 世界規模での電力使用量を削減します。電気が分散され使用される方法を改善することによって、 電気自動車を改良して、内燃機関のより現実的な代替品になる 燃料効率を改善し、残りの燃料燃焼エンジンの汚染を低減する sic electronicsは、すべての市民の日常生活をより良くする可能性を約束しています。 地球。
この記事の執筆時点では、 前のセクションはほとんど未実現でした。簡単な歴史的検査では、 半導体材料の製造可能性および品質における欠点は、 半導体半導体エレクトロニクスの開発。シンプルな視点から、エレクトロニックエレクトロニクス 開発は、ソリッドステートの電子デバイスが それが製造される半導体材料と同じくらい良好でなければならない。
合理的な一貫性、サイズ、品質、および可用性の再現性のあるウェーハは、 半導体エレクトロニクスの商業用量産多くの半導体材料を溶融することができる シード結晶の助けを借りて再現性良く再結晶化して大きな単結晶にする ほぼすべてのシリコンウェーハの製造に採用されているチョクラルスキー法であり、 ウェーハは量産される。しかし、詩は合理的に達成可能な状態で溶解するのではなく昇華するため 従来の溶融成長技術では成長させることができない。 1980年以前には、実験的 （典型的には約1）の不規則な形状の結晶の血小板に閉じ込められた 工業用研磨剤（例えば、サンドペーパー）を製造するためのアセトンプロセスの副産物として成長され、 またはリーリープロセスによって実行される。リーリー法では、多結晶質粉末から昇華させた。 2500°C付近の温度は、小さい、六角形に形成された空洞の壁面にランダムに凝縮する を含む。これらの小さな、再現不可能な結晶は、いくつかの基本的な電子回路 半導体の大量生産には適していませんでした。このように、シリコンは ソリッドステート技術革命を支えている支配的な半導体であり、一方、SICベースのマイクロエレクトロニクスへの関心 限られていた。
それにもかかわらず、製作可能なウェハ形態のものを得ることを目的とした控えめな研究努力を行った。この目的のために、大面積の上に単結晶シリコン層をヘテロエピタキシャル成長させたシリコン基板は1983年に最初に実施され、続いて様々な成長技術を用いて長年にわたり非常に多くのものが続いた。主に格子定数（sicとsiとの間の約20％の差）と熱膨張係数（約8％の差）の大きな差異のために、シリコンを基板として用いるシリコンのヘテロエピタキシーは、常に非常に高密度で3c-積層欠陥、ミクロツィン、反転ドメイン境界などの結晶学的構造欠陥が含まれる。 （サファイア、シリコン・オン・インシュレータ、およびチックのような）シリコン以外の他の大面積ウェーハ材料は、エピエピタキシャル層のヘテロエピタキシャル成長のための基板として使用されてきたが、得られる膜は、結晶学的欠陥密度が高く、現在までに最も低い結晶学的欠陥密度を達成した最も有望な3c-sic-on-siliconアプローチは、不完全なシリコン基板の使用を伴う。しかしながら、この非常に新規なアプローチでさえ、転位密度は、シリコンおよびバルクの六角形のウエハに比べて非常に高いままである。 いくつかの限定された半導体電子デバイスおよび回路がシリコン上に成長した3c-sicで実施されているが、これらの電子回路の性能（この執筆時点で）は、結晶学的欠陥の高密度によって厳しく制限されているセクション5.3で議論された運用上の便益は、実現可能に実現されている。とりわけ、電流の流れが望ましくない逆バイアスされたデバイス接合間の寄生電流を \"リーク\"させる結晶欠陥がある。過度の結晶欠陥が電気デバイスの欠点につながるため、大面積基板上に成長させた3C-SiCで製造された市販の電子部品はまだ存在しない。したがって、シリコン上に成長した3c-SiCは、純粋に従来の固体トランジスタ電子機器の半導体として使用される代わりに、マイクロエレクトロメカニカルシステム（mems）用途（セクション5.6.5）において機械的材料としての可能性がより高い。
1970年代後半に、tairovとtzvetkovは6h-sicの成長のための変更されたシード昇華成長プロセスの基本原則を確立した。改良されたリーリープロセスとも呼ばれるこのプロセスは、大量生産されたシリコンウェーハに切断して研磨することができる許容可能な大きさの単結晶を再現可能に成長させる最初の可能性を提供した。基本的な成長プロセスは、多結晶質原料を約2400℃まで加熱し、蒸気相に昇華させた後、より冷たいシード種結晶上に凝縮させることに基づいている。これは、幾分円筒状の単結晶構造のブールおおよそ1時間あたり数ミリメートルの割合でより高い。今日まで、昇華プロセスにおける成長の好ましい配向は、より大きい円筒形のブールの垂直成長が、\u003c0 0 0\u003e方向に沿って進行するようなものである。結晶学的c軸方向（すなわち、図5.1における垂直方向）を示す。 c軸に対して垂直（すなわち、10°以内に垂直）にある表面を有する円形の「c軸」ウェハを、ほぼ円筒形のブールから切断することができる。昇華成長プロセスのさらなる開発を経て、cree、inc。は1989年にc軸配向6h-sicの直径2.5cmの半導体ウェーハを最初に販売しました。それに対応して、 1990年以来、6軸および4軸ポリタイプのc軸配向のsicウェーハを使用して商品化が行われています。様々なサイズ（現在は直径7.6cmの大きさ）のn型、p型、および半絶縁性のウエハが、現在、様々なベンダーから市販されている。 p型シリコンウエハの達成可能な基板導電率は、n型基板よりも10倍以上小さいことが注目される。これは、主にドナーとアクセプタのドーパントイオン化エネルギーの差によるものである（表5.1）。より最近では、固体源の昇華の代わりにガス源を用いて成長されたウェハまたはガスと固体源の組合せも商業化されている。過去10年の間に、「a面」配向などの他の結晶学的方向に沿って配向されたシックブールおよびウェーハの成長も調査されている。これらの他のウェハウェーハ配向は、従来のc軸配向ウェーハ（セクション5.5.5で簡単に述べる）と比較して、デバイス特性においていくつかの興味深い差異を提供するが、製造された全ての商用電子部品（この執筆時点で）は、c軸配向されたウェハ。 ウェーハサイズ、コスト、および品質は、大量生産された半導体マイクロエレクトロニクスの製造可能性およびプロセス歩留まりにとって非常に重要である。一般的なシリコンウェーハ標準と比較して、現在の4時間および6時間ウェーハは、より小さく、より高価であり、一般には、...
ほとんどのシリコン電子デバイスは、昇華成長ウェハに直接製造されるのではなく、代わりに初期昇華成長ウェハの上に成長するより高品質のエピタキシャル層で製造される。十分に成長したsicエピ層は、優れた電気的特性を有し、バルク昇華成長ウェハ材料よりも制御可能であり、再現可能である。従って、高品質のエピ層の制御された成長は、有用な回路エレクトロニクスの実現において非常に重要である。
ほとんどのシリコン電子デバイスは、昇華成長ウェハに直接製造されるのではなく、代わりに初期昇華成長ウェハの上に成長するより高品質のエピタキシャル層で製造される。十分に成長したsicエピ層は、優れた電気的特性を有し、バルク昇華成長ウェハ材料よりも制御可能であり、再現可能である。従って、高品質のエピ層の制御された成長は、有用な回路エレクトロニクスの実現において非常に重要である。
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