die überwiegende Mehrheit der heute verwendeten halbleiterintegrierten Schaltungschips verlassen sich auf Silizium-Metalloxid- Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs), deren elektronische Vorteile und Betriebsweise Gerätephysik sind in Katsumata Kapitel und anderswo zusammengefasst. das Extreme gegeben Nützlichkeit und Erfolg von Inversions-Kanal-MOSFET-basierten Elektronik in Vlsi-Silizium (sowie diskrete Silizium-Leistungsbauelemente), ist es natürlich wünschenswert, eine Hochleistungsinversion zu implementieren Kanal Mosfets in sic. wie Silizium, bildet es eine thermische, wenn es in einem ausreichend erhitzt wird Sauerstoffumgebung. Während dies ermöglicht sic MOS-Technologie etwas sehr erfolgreich folgen Weg der Silizium MOS Technologie, gibt es dennoch wichtige Unterschiede in der Isolatorqualität und Geräteverarbeitung, die derzeit verhindern, dass sic-MOSFETs ihre vollen Vorteile realisieren Potenzial. Während der folgende Diskurs versucht, schnell Schlüsselthemen hervorzuheben, denen sic Mosfet gegenübersteht Entwicklung, detailliertere Einblicke können in den Referenzen 133-142 gefunden werden. Aus rein elektrischer Sicht gibt es zwei hauptsächliche Betriebsmängel von Sic Oxiden und Mosfets im Vergleich zu Silizium Mosfets. Erstens, effektive Inversionskanalbeweglichkeiten in den meisten sic-Mosfets sind niedriger als man aufgrund von MOS-Träger-Mobilitäten des Siliciuminversionskanals erwarten würde. Dies verringert die Transistorverstärkung und die Stromleitfähigkeit der MOSFETs erheblich, so dass sic Mosfets sind nicht annähernd so vorteilhaft wie theoretisch vorhergesagt. Zweitens, Sic Oxide haben nicht bewiesen so zuverlässig und unveränderlich wie gut entwickelte Siliziumoxide, in denen MOSFETs anfälliger sind Schwellenspannungsverschiebungen, Gate-Lecks und Oxidfehler als vergleichsweise vorgespannte Silizium-MOSFETs. im Insbesondere werden elektrische Leistungsdefizite auf die Unterschiede zwischen Siliciumoxid und thermische Oxidqualität und Grenzflächenstruktur, die dazu führen, dass das Siliciumoxid in unerwünschter Weise auftritt höhere Pegel der Grenzflächenzustandsdichten ( ), feste Oxidladungen ( ), Ladungseinfangen, Trägeroxidtunneln und verringerte Mobilität von Inversionskanalleitern. Bei der Hervorhebung der Schwierigkeiten, mit denen die Entwicklung von Mosfets konfrontiert ist, ist es wichtig, dies zu bedenken Die frühen Silizium-MOSFETs sahen sich auch mit Entwicklungsherausforderungen konfrontiert, die viele Jahre intensiver Forschung erforderten Anstrengungen, um erfolgreich zu überwinden. In der Tat, enorme Verbesserungen in 4h-sic mos Geräteleistung wurden in den letzten Jahren erreicht, die Hoffnung, dass nützliche 4h-sic Power MOSFET-Geräte für Betrieb bis zu 125 ° C Umgebungstemperatur könnte in den nächsten Jahren kommerzialisiert werden. zB 4h-sic Mosfet Inversionskanal Mobilität für konventionell orientiert (8 ° aus (0001) c-Achse) -Wafer wurde von \u0026 lt; 10 bis \u0026 gt; 200 verbessert , während...
Halbleitervorrichtungen und -iks von feindlicher Umgebung sind von geringem Vorteil, wenn sie nicht zuverlässig verpackt und verbunden werden können, um ein vollständiges System zu bilden, das in der Lage ist, feindliche Umgebung zu betreiben. Mit einer geeigneten Materialauswahl erscheinen Modifikationen der bestehenden iC-Verpackungstechnologien für nicht-elektrische Schaltungsverpackungen bis zu 300 ° C machbar. Die jüngsten Arbeiten befassen sich zunehmend mit den Anforderungen der anspruchsvollsten elektronischen Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, zu deren Anforderungen der Betrieb in Umgebungen mit hohen Vibrationen bei 500-600 ° C mit oxidierender Umgebung, manchmal mit sehr hoher Leistung, gehört. zum Beispiel wurden einige Prototyp-Elektronikgehäuse und Leiterplatten, die über 1000 Stunden bei 500 ° C standhalten können, demonstriert. passive Komponenten in rauer Umgebung, wie z. B. Induktivitäten, Kondensatoren und Transformatoren, müssen ebenfalls für den Betrieb unter anspruchsvollen Bedingungen entwickelt werden, bevor die in Abschnitt 5.3 beschriebenen Vorteile der sic-Elektronik auf Systemebene erfolgreich umgesetzt werden können.
Dieser Abschnitt fasst kurz eine Vielzahl von sic-Elektronikgeräte-Designs zusammen, die nach Hauptanwendungsgebieten unterteilt sind. sic Prozess- und Materialtechnologie-Probleme, die die Fähigkeiten verschiedener SIC-Geräte-Topologien begrenzen, werden als Hauptprobleme hervorgehoben, die bei der weiteren SIC-Technologiereifung zu berücksichtigen sind. In diesem Abschnitt sollte für den Leser deutlich werden, dass die schwierigste allgemeine Herausforderung darin besteht, zu verhindern, dass die sic-Elektronik ihre nutzbringenden Fähigkeiten voll ausschöpft, während sie in bisher unerreichten Temperatur- und Leistungsdichtebereichen arbeitet. Da viele Einschränkungen der Gerätezuverlässigkeit auf grundlegende Probleme in Bezug auf Material und Verbindung / Schnittstelle zurückgeführt werden können, die bereits in den Abschnitten 5.4 und 5.5 erwähnt wurden, sollten Bemühungen, nützliche (d. h. zuverlässige) Elektronik zu ermöglichen, sich auf Verbesserungen dieser grundlegenden Bereiche konzentrieren.
Die breite Bandlücke von sic ist nützlich für die Realisierung von kurzwelliger Optoelektronik für Blau und Ultraviolett (UV). 6h-basierte pn-Licht emittierende Dioden (LEDs) waren die ersten Halbleiterbauelemente um den blauen Teil des sichtbaren Farbspektrums abzudecken, und wurden die ersten sic-basierten Geräte zu erreichen großvolumige kommerzielle Verkäufe. weil die Bandlücke von sic indirekt ist (d. h. das Leitungsminimum und Valenzbandmaximum stimmen nicht im Kristallimpulsraum überein), Lumineszenzrekombination ist inhärent ineffizient. Daher wurden LEDs, die auf sic-pn-Übergängen basieren, ziemlich veraltet durch die Entstehung von viel heller, viel effizienter Direkt-Bandgap Gruppe III-Nitrid (iii-n wie z als gan und ingan) blaue LEDs. Als eines der Substrate werden jedoch immer noch sic-Wafer eingesetzt (zusammen mit Saphir) für das Wachstum von iii-n-Schichten, die bei der Massenproduktion von Grün und Blau verwendet werden Nitrid-basierte LEDs. sic hat sich bei der Absorption von kurzwelligem Licht als wesentlich effizienter erwiesen, was die Realisierung von UV-empfindlichen Photodioden, die als hervorragende Flammensensoren im Turbinenmotor dienen Überwachung und Kontrolle der Verbrennung. die große Bandlücke von 6h-sic ist nützlich für die Realisierung niedrige Photodioden-Dunkelströme sowie Sensoren, die gegenüber unerwünschten Wellenlängen im nahen Infrarot blind sind erzeugt durch Wärme und Sonnenstrahlung. kommerzielle sic-basierte UV-Flammensensoren, wiederum basierend auf Epitaxie gezüchtete trocken-geätzte Mesa-isolierte 6h-sic pn-Übergangsdioden, haben erfolgreich schädliche Verschmutzung reduziert Emissionen von gasbefeuerten bodengestützten Turbinen, die in elektrischen Stromerzeugungssystemen verwendet werden. das niedrige Dunkelströme von sic-Dioden sind auch nützlich für die Röntgen-, Schwerionen- und Neutronendetektion im Kern Reaktorüberwachung und erweiterte wissenschaftliche Studien von hochenergetischen Teilchenkollisionen und kosmischen Strahlung.
Die hauptsächliche Verwendung von sic-HF-Vorrichtungen scheint in der Hochfrequenz-Hochleistungs-Hochleistungsverstärkung bei Frequenzen von ungefähr 600 MHz (UHF-Band) bis vielleicht so hoch wie einige Gigahertz (X-Band) zu liegen. Wie in den Literaturstellen 5, 6, 25, 26, 159 und anderswo ausführlicher diskutiert, ermöglichen es die hohe Durchbruchsspannung und die hohe Wärmeleitfähigkeit in Verbindung mit der hohen Trägersättigungsgeschwindigkeit, dass Halbleiter-Transistoren viel höhere Leistungsdichten handhaben als ihre Silizium- oder GaAs rf-Pendants, trotz des Nachteils der Low-Field-Carrier-Mobilität (Tabelle 5.1). die höhere Wärmeleitfähigkeit von sic ist auch entscheidend für die Minimierung der Selbsterhitzung des Kanals, so dass die Phononenstreuung die Trägergeschwindigkeit nicht ernsthaft verschlechtert. Diese Argumente für die Vorteile der HF-Leistung beziehen sich auf eine Vielzahl verschiedener Transistorstrukturen, wie z. B. Mes- und statische Induktions-Transistoren (sits) und andere Halbleiter mit großer Bandlücke (wie Gruppe-III-Nitride). Die hohe Leistungsdichte von Transistoren mit großer Bandlücke wird sich bei der Realisierung von Anwendungen für Festkörpertransmitter als sehr nützlich erweisen, wo eine höhere Leistung mit geringerer Größe und Masse entscheidend ist. weniger Transistoren, die bei höheren Temperaturen arbeiten können, verringern die Anpassungs- und Kühlungsanforderungen, was zu einer verringerten Gesamtgröße und geringeren Kosten dieser Systeme führt. sic-basierte Hochfrequenz-HF-Messets sind jetzt im Handel erhältlich. Es ist jedoch wichtig anzumerken, dass dies nach jahrelanger Grundlagenforschung auftrat und die schlechte Zuverlässigkeit aufgrund von Ladungseinfangeffekten, die von unausgereiften semiisolierenden Substraten, Epitaxieschichten und Oberflächenpassivierungen herrühren, aufgespürt und eliminiert wurde. Ein Schlüsselmaterial, das einen zuverlässigen Betrieb ermöglichte, war die Entwicklung von \"hochreinen\" semi-isolierenden Substraten (die benötigt werden, um parasitäre Bauelementkapazitäten zu minimieren) mit viel weniger Ladungseinfang als die zuvor entwickelten Vanadium-dotierten halbisolierenden Halbleiterscheiben. sic-mesfet-Vorrichtungen, die auf halbisolierenden Substraten hergestellt sind, sind möglicherweise weniger anfällig. zu nachteiligen Ausbeutekonsequenzen, die von Mikroröhrchen herrühren, als vertikale Hochleistungsschaltvorrichtungen, hauptsächlich deshalb, weil eine c-Achsen-Mikroleitung zwei leitende Seiten einer Hochfeldverbindung in den meisten Bereichen der lateralen Kanal-Mesfet-Struktur nicht mehr kurzschließen kann. sic-mixer-Dioden zeigen auch eine ausgezeichnete Aussicht, unerwünschte Intermodulationsstörungen in RF-Empfängern zu reduzieren. Eine Verbesserung der Dynamik um mehr als 20 dB wurde mit nicht optimierten Schottky-Dioden-Mischern demonstriert. Nach einer weiteren Entwicklung und Optimierung sollten SIC-basierte Mischer die Störfestigkeit in Situatione...
Die meisten analogen Signalaufbereitungs- und digitalen Logikschaltungen werden in diesen einzelnen Transistoren als \"Signalpegel\" betrachtet in diesen Schaltungen benötigen typischerweise nicht mehr als einige Milliampere Strom und \u0026 lt; 20 V, um richtig zu funktionieren. Im Handel erhältliche Silizium-auf-Isolator-Schaltungen können komplexe digitale und analoge Signalpegelfunktionen ausführen bis zu 300 ° C, wenn keine hohe Ausgangsleistung erforderlich ist [163]. neben ics, bei denen es vorteilhaft ist, Signal- Level-Funktionen mit High-Power oder einzigartige sic Sensoren / Mems auf einem einzigen Chip, nur teurer sic Schaltungen die Ausführung von Signalfunktionen mit niedrigem Stromverbrauch erscheint für strahlungsarme Anwendungen bei Temperaturen weitgehend nicht vertretbar unter 250-300 ° C. zum Zeitpunkt dieses Schreibens gibt es keine kommerziell erhältlichen Halbleitertransistoren oder integrierte Schaltungen (sic oder anders) zur Verwendung in Umgebungstemperaturen über 300 ° C. obwohl sic-basierte Hochtemperatur-Labor-Prototypen haben In den letzten zehn Jahren hat sich die Verbesserung der Betriebssicherheit erheblich verbessert Realisierung nützlicher 300-600 ° C Geräte und Schaltungen. Schaltungstechnologien, mit denen vlsi erfolgreich implementiert wurde Schaltkreise in Silizium und GaAs wie CMOS, Ecl, BICMOS, DCFL usw. sind in unterschiedlichem Maße Kandidaten für t \u0026 gt; 300 ° C sic- integrierte Schaltkreise. Hochtemperatur-Gate-Isolator-Zuverlässigkeit (Abschnitt 5.5.5) ist entscheidend für die erfolgreiche Realisierung von MOSFET-basierten integrierten Schaltungen. Gate-zu-Kanal-Schottky-Dioden-Leckage begrenzt die Spitzen-Betriebstemperatur von sic-Mesfet-Schaltungen auf etwa 400 ° C (Abschnitt 5.5.3.2). daher scheinen Bauelemente auf der Basis von pn-Übergang, wie Bipolartransistoren (bjts) und Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (jfets), stärker zu sein (zumindest in der näheren Zukunft), um einen Langzeitbetrieb bei 300-600 ° C zu erreichen Ambientes. Da Signalpegelschaltungen bei relativ niedrigen elektrischen Feldern weit unter der elektrischen Fehlerspannung der meisten Versetzungen betrieben werden, beeinflussen Mikrolinsen und andere sikodische Versetzungen den Signalpegel-Schaltungsvorgang in einem viel geringeren Ausmaß, als sie die Hochfeldleistungs-Bauelementausbeuten beeinflussen. Während dieses Artikels geschrieben wurde, wurden einige diskrete Transistoren und kleine prototypische Logik- und analoge Verstärker-ICs im Labor unter Verwendung von sic-Variationen von nmos-, cmos-, jfet- und mesfet-Bauelement-Topologien demonstriert. Keiner dieser Prototypen ist jedoch zum jetzigen Zeitpunkt wirtschaftlich rentabel, hauptsächlich aufgrund ihrer Unfähigkeit, einen elektrisch stabilen Betrieb bei längerer Dauer bei Umgebungstemperaturen jenseits der 250-300 ° C-Bereich der Silizium-auf-Isolator-Technologie anzubieten. Wie in Abschnitt 5.5 erörtert, ist ein gemeinsames Hindernis für alle Hochtemperatur-G...
Die inhärenten Materialeigenschaften und die grundlegende Physik hinter den großen theoretischen Vorteilen von Silizium über Silizium für Leistungsschaltvorrichtungen wurden in Abschnitt 5.3.2 diskutiert. Ähnlich wurde in Abschnitt 5.4.5 diskutiert, dass kristallographische Defekte, die in Siliziumwafern und Epitaxieschichten gefunden werden, derzeit ein primärer Faktor sind, der die Kommerzialisierung nützlicher sic-Hochleistungsschaltvorrichtungen begrenzt. Dieser Abschnitt konzentriert sich auf die zusätzlichen Entwicklungsaspekte von Leistungsgleichrichtern und Leistungsschalttransistortechnologien. Die meisten Leistungsbauelement-Prototypen verwenden ähnliche Topologien und Merkmale wie ihre siliziumbasierten Gegenstücke, wie z. B. den vertikalen Stromfluss durch das Substrat, um den Bauelementstrom unter Verwendung einer minimalen Waferfläche zu maximieren (d. h. die Stromdichte zu maximieren). Im Gegensatz zu Silizium diktiert jedoch die relativ geringe Leitfähigkeit heutiger p-leitender Substrate (Abschnitt 5.4.3), dass alle vertikalen Leistungsbauelementstrukturen unter Verwendung von n-Typ-Substraten implementiert werden, um vorteilhaft hohe vertikale Stromdichten zu erzielen . Viele der Kompromisse beim Entwurf von Bauelementen gehen in etwa parallel zu den bekannten Kompromissen zwischen Silizium-Leistungsbauelementen, abgesehen von der Tatsache, dass die Zahlen für Stromdichten, Spannungen, Leistungsdichten und Schaltgeschwindigkeiten in sic wesentlich höher sind. Damit Leistungsvorrichtungen erfolgreich bei hohen Spannungen arbeiten können, muss der periphere Durchschlag aufgrund von kantenbezogenem Überangebot an elektrischen Feldern durch sorgfältiges Vorrichtungsdesign und geeignete Wahl von isolierenden / passivierenden dielektrischen Materialien vermieden werden. Die Spitzenspannung vieler Prototyp-Hochspannungs-Geräte wurde oft durch zerstörerische kantenbedingte Zerstörung begrenzt, insbesondere bei sic-Geräten, die mehrere Kilovolt blockieren können. Darüber hinaus wurde bei den meisten Tests vieler Prototyp-Multikinovolt-Vorrichtungen gefordert, dass die Vorrichtung in spezielle Flüssigkeiten oder Gasatmosphären mit hoher dielektrischer Festigkeit getaucht wird, um schädliche Lichtbögen und Oberflächenüberschläge an den Peripheriebereichen des Geräts zu minimieren. Eine Vielzahl von Kantenbeendigungsverfahren, von denen viele ursprünglich in Silizium-Hochspannungsbauelementen entwickelt wurden, wurden auf Prototyp-Leistungsbauelemente mit unterschiedlichem Erfolg angewendet, einschließlich maßgeschneiderter Dotierungs- und Metallschutzringe. Die höheren Spannungen und die höheren lokalen elektrischen Felder von SIC-Leistungsbauelementen stellen eine größere Belastung für Gehäuse und Waferisoliermaterialien dar, so dass sich einige der Materialien, die zum Isolieren / Passivieren von Silizium-Hochspannungsbauelementen verwendet werden, nicht als zuverlässig erweisen. Spannungsgeräte, insbesondere wenn diese Geräte bei hohen ...
Der Hochleistungsdiodengleichrichter ist ein kritischer Baustein von Stromrichterschaltungen. neuere Übersichten von experimentellen Gleichrichter-Ergebnissen sind in den Referenzen 3, 134, 172, 180 und 181 angegeben. Die wichtigsten Design-Kompromisse der sic-Dioden-Gleichrichtervorrichtung sind grob parallel zu gut bekannten Siliziumgleichrichter-Kompromissen, abgesehen von der Tatsache, dass Stromdichten Spannungen, Leistungsdichten und Schaltgeschwindigkeiten sind in sic. zum Beispiel sind Halbleiter-Schottky-Diodengleichrichter Majoritätsträgervorrichtungen, von denen bekannt ist, dass sie aufgrund des Fehlens von Minoritätsträgerladungsspeicherung, die den Schaltvorgang von Bipolar dominiert (dh verlangsamt, was zu unerwünschter Verlustleistung und Wärme führt), ein sehr schnelles Schalten zeigen pn-Übergangsgleichrichter. das hohe Durchbruchsfeld und die große Energiebandlücke erlauben jedoch den Betrieb von Metall-Halbleiter-Schottky-Dioden bei viel höheren Spannungen (über 1 kV) als dies bei Schottky-Dioden auf Siliziumbasis praktikabel ist, die wegen wesentlich höherer Bias thermionic Leckage.
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