2020-03-17
2020-03-09
高出力ダイオード整流器は、電力変換回路の重要なビルディングブロックです。実験的な整流器の結果の最近のレビューは、参考文献3,134,172,180および181に記載されている。最も重要なダイオード整流器デバイス設計のトレードオフは、電流密度、電圧、電力密度、およびスイッチング速度が大幅に向上しています。半導体ショットキーダイオード整流器は、バイポーラのスイッチング動作を支配する少数キャリアの蓄積がないために非常に高速なスイッチングを示す多数決キャリアデバイスである（すなわち、望ましくない無駄な電力および熱を支配する） pn接合整流器。高い絶縁破壊電界および広いエネルギーバンドギャップにより、はるかに高い逆バイアス電流により約200V以下の動作に制限されるシリコンベースのショットキダイオードでは実用的なものよりもはるかに高い電圧（1kv以上）での金属金属半導体ショットキーダイオードの動作が可能になる。バイアス熱電子リーク。
4hシリコンパワーショットキーダイオード（定格遮断電圧は最大1200V、定格オン電流は20Aまで）は現在市販されています。これらのユニポーラダイオードの基本構造は、はるかに厚い（約200〜300μm）基板上に成長された比較的薄い（約10μmの厚さの）軽くnドープされたホモエピタキシャル層の上部に存在するパターン化された金属ショットキーアノードコンタクトである。裏面の陰極コンタクトメタライゼーションを備えた低抵抗のn型4h基板（5.4.4.2節で論じたように、8°オフ軸）。アノードコンタクトのエッジの周りの電界クラウディング効果を最小にするために、通常、ガードリング構造（通常、p型インプラント）が用いられる。ダイパッシベーションとパッケージングは、信頼できるデバイス動作に有害なアーク放電/表面フラッシュオーバーを防止するのに役立ちます。 現在のところ、これらのデバイスの主な用途はスイッチモード電源です（このセクション5.3.2の説明と一致しています）。ショットキー・レクティファイヤの電力損失を抑えたより高速なスイッチングにより、コンデンサ、インダクタ、全体の電源サイズと重量。特に、少数キャリアの蓄積が実質的に存在しないため、ユニポーラのショットキーデバイスは、シリコン整流器（約200Vブロッキング以上のpn接合ダイオードでなければならない）よりもはるかに速くオフすることができ、 。シリコン整流器の部品コストが競合するシリコン整流器よりも高かったとしても、それにもかかわらず有用な性能上の利点を有する全体的に低い電源システムコストが達成される。しかし、回路設計の変更は、シリコンを部品に置き換える際に許容可能な信頼性をもって回路能力を最も向上させるために時には必要であることに留意すべきである。 セクション5.4.5で議論したように、現在の材料品質は、現在、ショット式ショットキーダイオードの電流定格および電圧定格を制限しています。高い順方向バイアスの下では、ショットキダイオードの電流伝導は主に低濃度ドープブロッキング層の直列抵抗によって制限される。この直列抵抗が温度とともに増加するという事実（エピ層キャリア移動度の減少による）は、より高いオン電流定格に対処するために複数のショットキダイオードが並列接続されている場合、各ダイオードを流れる高い順電流の均等化を駆動する。
より高い電圧の用途では、バイポーラ少数キャリアの電荷注入（すなわち、伝導度変調）は、ドリフト領域がドーパント原子の多数キャリアを単独で用いて動作するユニポーラショットキーダイオードよりも高い電流密度を有することを可能にすべきである。シリコン整流器の経験と一致して、SiCのpn接合生成に関連する逆リークは、通常、熱電変換されたショットキーダイオード逆リークよりも小さい。シリコンバイポーラデバイスの場合と同様に、スイッチング速度と特定のアプリケーション用のバイポーラデバイスのオン電流密度性能のトレードオフを最適化するには、少数キャリア寿命の再現可能な制御が不可欠です。意図的な不純物の取り込みおよび放射線誘発欠陥の導入によるキャリア寿命の短縮が実現可能である。しかしながら、 バイポーラ・パワー整流器の可能性を最大限に発揮させるためには、一貫して少数キャリア寿命（マイクロ秒以上）を得る能力がある程度分かりにくいことが判明しました。 この文書の執筆時点では、双極型電力整流器はまだ市販されていない。基底面転位欠陥（表5.2）から始まる4h-sicエピタキシャル層積層欠陥の電気的な膨張による電気的信頼性の低下は、1990年代後半の4h-sic pn接合ダイオードの商業化の努力を効果的に妨げていた。特に、順方向バイアスされたpn接合で起こる双極電子 - 正孔再結合は、4h-sic阻止層中の積層欠陥の拡大を引き起こし、輸送を効果的に低下させる拡大量子井戸（狭い3c-バンドギャップに基づく）を形成した）の低濃度ドープ接合阻止層を横切る少数キャリアからなる。その結果、定格オン電流を維持するのに必要な4h-pn pn整流器の順方向電圧は、予測不能かつ望ましくないほど時間とともに増加する。セクション5.4.5で議論されているように、この重大な欠陥誘発問題の理解と克服に向けた研究は重要な進歩を遂げたので、双極性のパワーデバイスが数年以内に商業化されることが期待されます。 ワイドバンドギャップの欠点は、大きなオン電流が流れ始めるダイオードのターンオン「ニー」に達するために大きな順方向バイアス電圧が必要であることです。順に、ニー電圧が高くなると、オン状態の電力損失が望ましくなく増加する可能性があります。しかし、100倍のドリフト領域抵抗の減少とより高速なダイナミックスイッチングの利点は、大部分の高電力アプリケーションでは、オン状態の膝電圧の欠点を大幅に克服するはずです。 sic pn接合の最初のターンオン・ニーは、約1Vの場合よりも高く（約3V）、導電性変調により、より高い阻止電圧のアプリケーションに対して、pic接合がより低い順方向電圧降下を達成することが可能になる。 pn接合逆阻止と低ショットキー順方向ターンオンを組み合わせたシリコンで最初に開発されたハイブリッドショットキー/ pn整流器構造は、アプリケーション最適化された整流器の実現に非常に有用であることがわかっています。同様に、デュアルショットキー金属構造とトレンチピンチ整流器構造との組合せも、整流器の順方向ターンオン特性および逆方向漏れ特性を最適化するために使用することができる。...
小さな駆動信号を用いて大きな電圧および電流（すなわち、パワートランジスタ）を制御する3つの端子電力スイッチも、高電力変換回路の重要なビルディングブロックである。しかしながら、この文書の執筆時点では、高電力スイッチングトランジスタは、電力システム回路において有益な用途のために市販されていない。参考文献134,135,172,180、および186-188に要約されているように、近年、様々な改善された3端子電源スイッチが試作されている。 商用電源スイッチングトランジスタの現在の欠如は、この章の他の部分で論じられているいくつかの技術的困難に大きく起因する。例えば、すべての高出力半導体トランジスタは、オフ状態の電流フローを阻止する高電界接合を含む。したがって、ダイオード整流器（セクション5.4.5および5.6.4.1）上の結晶欠陥によって課される性能の制限は、高出力のトランジスタにも当てはまります。また、5.5.5項で説明した反転チャネル移動度が不十分であり、ゲート絶縁体の信頼性が疑わしい場合には、反転チャネルのMOSFET（すなわち、MOSFET、igbtsなど）の性能および信頼性が制限されていました。これらの問題を回避するために、mesfet、jfet、bjt、およびdepletion-channel MOSFETなどの高品質ゲート絶縁体に依存しないデバイス構造が、パワースイッチングトランジスタとしての使用に向けて試作されています。しかし、これらの他のデバイストポロジは、シリコンベースの反転チャネルMOSFETおよびigbtsに比べて魅力的でないように、電源システム回路設計に非標準要件を課しています。特に、シリコンパワーMOSFETおよびIGBTは、それらのMOSゲートドライブが導通電力チャネルから十分に絶縁され、駆動信号電力をほとんど必要とせず、デバイスが電流が流れないという点で「通常オフ」であるため、電力回路において非常に普及しているゲートが0Vでバイアスされていないとき、他方 デバイスのトポロジに欠けているこれらの1つ以上の回路に優しい面が、電源ベースのデバイスが電力システムのアプリケーションでシリコンベースのMOSFETとIGBTを有益に置き換えることができない原因となっています。 セクション5.5.5で説明したように、4h-sic MOSFET技術の実質的な改良が、4h-sic MOSFETの商業化につながると期待されています。その間に、高電圧のシリコン集積回路を低電圧のシリコンパワーMOSFETと組み合わせて単一のモジュールパッケージにすることによる有利な高電圧スイッチングは、実用化に近づいているようである。ディプリーションチャネル（すなわち、埋設チャネルまたはドープチャネル）MOSFET、JFETおよびMESFETを含む、（横チャネルおよび縦チャネルの両方を有する）SICドープチャネルフェツトのための多数の設計が試作されている。これらのデバイスのいくつかは、ゲートバイアスがゼロの状態で「ノーマリオフ」に設計されていますが、これらのデバイスの動作特性は、商用化を可能にするコストに対して十分な利点を提供していません。 p注入されたベースコンタクト領域で起こる望ましくない大きな少数キャリア再結合に対応するようにデバイス設計を変更することによって、プロトタイプの4時間パワービツトの利得の大幅な改善が最近達成されている。 igbts、サイリスタ、ダーリントン・ペア、およびシリコンからの他のバイポーラ・パワー・デバイス・デリバティブもまた、試作されている。従来の高出力シリコンデバイスのアプリケーションで非常に有用な技術である光トランジスタのトリガも、シックバイポーラデバイスで実証されています。しかし、すべてのバイポーラパワートランジスタは順方向バイアスの下で少数キャリアを注入する少なくとも1つのpn接合で動作するため、pn接合整流器（セクション5.6.4.1.2）について説明した結晶欠陥誘導バイポーラ劣化もバイポーラトランジスタの性能に適用されます。いずれのパワーバイポーラトランジスタデバイスも商業化のために十分に信頼性を持たせるには、4hエピ層からの基底面転位の効果的な除去が達成されなければならない。有益な高電圧igbtsを実現するためには、酸化物の問題（セクション5.5.5）も解決しなければならない。しかしながら、比較的貧弱なp型基板の導電率は、シリコン技術において現在支配的なn-igbt構造の代わりにp-igbtsの発生を強制する可能性がある。 様々な基本的なパワーデバイス技術の課題が克服されるにつれて、ますます広がる電圧、電流、およびスイッチング速度仕様に対応するより幅広い集積パワートランジスタが、有益な新しい電源システム回路を可能にする。...
この本のマイクロマシニングに関するheskethの章で説明されているように、シリコンベースのメモリの開発と使用は拡大し続けています。この章のこれまでのセクションでは、従来の半導体電子デバイス用のSICの使用を中心に説明しましたが、sicも新興memsアプリケーションで重要な役割を果たすことが期待されています。極度の硬度や低摩擦など機械的摩耗を低減し、腐食性雰囲気に対して優れた化学的不活性性などのシリコンベースの部材のいくつかの欠点に対処する優れた機械的特性を有する。シリコンの機械的特性が不十分であると思われる電気マイクロモーターやマイクロジェットエンジン発電源の長時間運転が可能であることから、優れた耐久性が検討されている。 残念なことに、シリコンより耐久性のあるものと同じ特性によって、マイクロマシンにはさらに困難なものとなる。現在までに得られたsic-mems結果の厳しい環境のmems構造を作るアプローチは、参考文献124,190で概説されている。湿った化学薬品による単結晶4h-および6h-sicの微細パターンエッチングを行うことができないという欠点5.5.4）は、この電子グレードの機械のマイクロマシニングをより困難にする。従って、今日までのマイクロマシニングの大部分は、シリコンウェーハ上に堆積された電気的に劣ったヘテロエピタキシャル3c型及び多結晶シリコン中に実装されている。バルクマイクロマシニング、表面マイクロマシニング、およびマイクロモールド技術の変形が、共振器およびマイクロモータを含む広範囲のマイクロメカニカル構造を製造するために使用されてきた。ウェハスペースと他のユーザとのコストを共有しながら、ユーザが独自のアプリケーション特有のマイクロマシンデバイスを実現することを可能にする、シリコンウェハマイクロメカニカル製造プロセスプロセスファウンドリサービスに関する標準化された発表が市販されている。 （5.6.2項で説明したような高温トランジスタを含む）シリコン上に堆積されたシリコン層では不可能な高温、低リーク電流を必要とするアプリケーション、4h / 6hシリコンウェハ上のmemとより多くの電子回路を集積するためのコンセプトエピレイヤーと共に提案されている。例えば、ジェットエンジンのより高い温度領域での使用のために開発された圧力センサは、主に、適切なセンサ動作を達成するために低接合リークが必要であるという事実のために、6時間で実施される。オンチップの4h / 6h集積トランジスタエレクトロニクスは、高温感知サイトでの信号調整を有利に可能にする。すべてのマイクロメカニカルベースのセンサーでは、センシング素子に熱機械的に誘発された応力（SICによって可能となるはるかに大きな温度スパンに亘る熱膨張係数の不一致に起因する）が課されるのを最小限に抑えるような方法でセンサーをパッケージ化することが不可欠です。したがって、（セクション5.5.6で前に述べたように）先進的なパッケージングは、過酷な環境でのmemの操作上の拡張を有効にするために、Sicを使用することとほぼ同じくらい重要です。 セクション5.3.1で議論したように、厳しい環境センサの主な用途は、汚染を低減しながら燃料効率を改善するために、燃焼機関システムの能動的監視および制御を可能にすることである。この目的のために、sicの高温性能は、触媒金属および金属絶縁体のプロトタイプのガスセンサー構造の実現を可能にし、排出モニタリングアプリケーションおよび燃料システムの漏れ検出に有望である。シリコンでは不可能なこれらの構造物の高温動作は、冷却を必要とせずにエンジンに邪魔にならないようにすることができる非常に小型のセンサにおいて、水素および炭化水素の含有量の変化を、100万分の1の感度で迅速に検出することを可能にする。しかし、これらのシステムが民生用の自動車や航空機に広く普及する準備が整う前に、信頼性、再現性、およびコストベースのガスセンサのさらなる改善が求められています。一般的には、ほとんどのメモリで同じことが言えます。これは、厳しい環境での高い信頼性が、さらなる技術開発によって保証されるまで、広く普及した有益なシステム挿入を達成しません。...
通常の人間環境（コンピュータ、携帯電話など）で動作する低電圧デジタルおよびアナログチップである世界の電子チップの大部分の製造に支配的な半導体が使用されるため、シリコンがシリコンを置き換えることは決してないと安全に予測できます、など）。 sicは、セクション5.3で説明したアプリケーションのような高電力および高温動作条件の包絡線を拡張する能力によって実質的な利点が有効になっている場合にのみ使用されます。 sicが今日のシリコン使用に実質的に置き換わる唯一の主要な既存アプリケーション領域は、電力変換、モータ制御、および管理回路で使用されるディスクリート電源デバイスの領域です。 パワーデバイス市場と自動車用センシング市場は、シリコンベースの半導体部品の最大の市場機会を提供しています。しかし、これらの両方のアプリケーションにおける最終消費者は、競争的に低い全体コストと組み合わされた非常に高い信頼性（すなわち、動作不良なし）を要求する。シックなエレクトロニクス技術が大きなインパクトを持つためには、これらの要求を満たすために現在の状態から大きく進化しなければなりません。 （5.3節）と実際に少数の商業的および軍事的用途（5.6節）で実用化されている構造ベースの構成要素の動作能力との間には、明らかに非常に大きな相違がある。同様に、商業的に配備された装置と比較して、実験装置の能力間には大きな相違が存在する。多くの「成功した」実験室プロトタイプが商業製品に迅速に移行できないことは、許容可能な信頼性とコストを達成する上での難しさと重要性の両方を示しています。
この章のこれまでのセクションでは、障害のあるデバイスの機能を主に担当している主な既知の技術的な障害や不変性がすでに強調されています。最も一般的な言葉では、これらの障害は、重要な基本的な重要事項の一握りにまで沸き立っています。これらの根本的な問題のうち最も重大な問題が解決される率は、半導体半導体の可用性、性能、および有用性に大きく影響します。したがって、将来のエレクトロニックエレクトロニクスは、デバイスの性能、歩留まり、信頼性に対する材料に関連する障害の解決に向けた基本的な材料研究への投資と結びついています。 確かに将来の最大の鍵となる重要な課題は、シリコンウェーハからの転位の除去である。この章で前に説明したように、またそこでの参考文献では、デバイスの定格、信頼性、およびコストを含む最も重要なSICパワー整流器の性能メトリックは、商用のウェハおよびエピレイヤに存在する高転位密度によって不可避的に影響を受けます。量産されたシリコンウェーハの品質がシリコンウェーハ（通常1平方センチメートル当たり1個未満の転位欠陥を含む）のシリコンウェーハ品質に近づくと、はるかに能力の高いユニポーラおよびバイポーラの高出力整流器（キロボルトおよびキロアンペア定格のデバイスを含む）はるかに多種多様なハイパワーアプリケーションで有益な利用が可能です。シック・ハイパワー・デバイスがシリコン・ベースのパワー・デバイスを、非常に幅広く有用なアプリケーションやシステムのアレイ（5.3節）に置き換える道を切り開いています。この進歩は、約15年前に最初に市販されて以来、比較的遅い「進化」およびニッチ市場への挿入に比べて、はるかに迅速かつ広範なSIC可能なパワーエレクトロニクスシステムの「革命」を解き放つだろう。 5.4節で述べたように、最近の実験結果によれば、10年以上にわたりすべての市販のウェハーベンダーが実施している標準的なブール成長技術と比較して、ウェハウェハー成長に対する根本的な新しいアプローチを用いてシリコンウェハー転位の大幅な減少が可能であることが示されている。確かに、高出力デバイスの最終的な将来は、今日採用されているものとは実質的に異なる低転位密度成長技術の開発と実用化に左右されるかもしれない。 理論以外にも、他に出現しているワイドバンドギャップ半導体も、セクション5.3で説明したシリコン半導体技術と比べて、同様に大きな電気システムの利点を理論的に提供していることに注意することが重要です。ダイヤモンドおよびいくつかのIII族窒化物化合物半導体（例えばgan;表5.1）は、破壊電界および低い真性キャリア濃度を有し、それにより、電力密度、周波数および温度での動作を可能にし、またはそれを超える。しかし、これらの半導体の電気デバイスは、有利に高い性能が確実に達成され、商品化されるために克服されなければならない様々な困難な材料の課題によって妨げられている。 sicエレクトロニクスの能力拡張が他のワイドバンドギャップ半導体に比べて遅すぎるとすれば、当初はsicのために計画されたアプリケーションと市場を獲得する可能性がある。しかし、特定のアプリケーションに対して信頼性と費用対効果の高いワイドバンドギャップ機能を最初に提供することができれば、その後のワイドバンドギャップ技術はおそらくより優れたコスト/パフォーマンスメトリクスを達成する必要があります。したがって、ある程度は、半導体エレクトロニクス機能の動作範囲を拡大する方向への進化を続けるであろう。...
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