das hohe Durchbruchsfeld und die hohe Wärmeleitfähigkeit von SIC gekoppelt mit einem hohen Betriebsübergang Temperaturen erlauben theoretisch die Realisierung extrem hoher Leistungsdichten und Wirkungsgrade in sic Geräte. das hohe Durchbruchsfeld von Silizium relativ zu Silizium ermöglicht den Sperrspannungsbereich von a Leistungsvorrichtung, um etwa 10 × dünner und 10 × schwerer dotiert zu sein, was eine etwa 100-fache ermöglicht Vorteilhafte Abnahme des Sperrbereichswiderstandes bei gleicher Nennspannung. bedeutende Energie Verluste in vielen Silizium-Hochleistungs-System-Schaltungen, insbesondere hart schaltenden Motorantrieb und Leistung Umwandlungsschaltungen, entstehen durch Energieumwandlung durch Halbleiterschaltung. während die Physik von Halbleiterschaltverluste werden im Detail an anderer Stelle besprochen, wobei der Energieverlust umgeschaltet wird häufig eine Funktion der Ausschaltzeit der Halbleiterschaltvorrichtung, die allgemein als die Zeitspanne zwischen dem Anlegen einer Abschaltvorspannung und dem Zeitpunkt, zu dem das Gerät tatsächlich am meisten abschneidet des Stromflusses. im Allgemeinen gilt, je schneller ein Gerät ausschaltet, desto kleiner ist sein Energieverlust Stromrichterschaltung. aus Gründen der Vorrichtungs-Topologie, die in den Referenzen 3,8 und 19-21 diskutiert werden Ein hohes Durchbruchsfeld und eine große Energiebandlücke ermöglichen eine viel schnellere Leistungsschaltung als dies möglich ist in vergleichbar voltamperemeterten Silizium-Leistungsschaltgeräten. die Tatsache, dass Hochspannungsbetrieb wird erreicht mit viel dünneren blockierenden Regionen mit sic ermöglicht viel schnellere Umschaltung (für vergleichbare Nennspannung) sowohl in unipolaren als auch in bipolaren Leistungsbauelementen. daher sic-basierte Macht Wandler könnten bei höheren Schaltfrequenzen mit viel größerer Effizienz (d. h. weniger Schalten) arbeiten Energieverlust). eine höhere Schaltfrequenz in Stromrichtern ist sehr wünschenswert, weil sie es ist erlaubt den Einsatz von kleineren Kondensatoren, Induktivitäten und Transformatoren, die wiederum insgesamt stark reduzieren können Stromrichtergröße, Gewicht und Kosten. während sic's kleinerer On-Widerstand und schnelleres Schalten hilft Energieverlust und Wärmeerzeugung zu minimieren, Die höhere Wärmeleitfähigkeit von sic ermöglicht eine effizientere Abfuhr von Abwärme aus dem aktiven Material Gerät. weil die Wärmeenergie-Strahlungseffizienz mit steigender Temperaturdifferenz stark zunimmt zwischen dem gerät und der kühlumgebung erlaubt die sic-fähigkeit, bei hohen temperaturen zu arbeiten viel effizientere Kühlung statt, so dass Kühlkörper und andere Gerät-Kühl-Hardware (d. h. Lüfter Kühlung, Flüssigkeitskühlung, Klimaanlage, Wärmestrahler usw.), die typischerweise benötigt werden, um Geräte mit hoher Leistung zu halten vor Überhitzung kann viel kleiner oder sogar eliminiert werden. Während sich die vorstehende Diskussion auf Hochleistungsumschaltung für die Leistungsumwandlung konz...
ungekühlte Betrieb von Hochtemperatur-und High-Power-Elektronik würde revolutionäre ermöglichen Verbesserungen an Luft- und Raumfahrtsystemen. Austausch von Hydrauliksteuerungen und Hilfstriebwerken mit verteilte \"intelligente\" elektromechanische Steuerungen, die in der Lage sind, einen rauen Umgebungsbetrieb zu ermöglichen, werden erheblich ermöglichen Jet-Flugzeug Gewichtsersparnis, reduzierte Wartung, reduzierte Umweltverschmutzung, höhere Kraftstoffeffizienz und erhöht Betriebssicherheit. sic Hochleistungs-Solid-State-Switches ermöglichen auch große Effizienzgewinne in Steuerung und Kontrolle der elektrischen Energie. Leistungssteigerungen durch sic-Elektronik könnten dies ermöglichen das öffentliche Stromnetz, um den Stromverbrauch der Verbraucher zu erhöhen, ohne zusätzliche Gebäude zu bauen Stromerzeugungsanlagen und verbessern die Stromqualität und Betriebssicherheit durch \"intelligentes\" Energiemanagement. effizientere elektromotorantriebe, die durch sic ermöglicht werden, werden auch der industriellen Produktion zugutekommen Systeme sowie Transportsysteme wie dieselelektrische Eisenbahnlokomotiven, elektrischer Nahverkehr Systeme, atomgetriebene Schiffe und elektrische Autos und Busse. Aus den obigen Diskussionen sollte ersichtlich sein, dass Sic High-Power-und Hochtemperatur-Solidstate Elektronik verspricht enorme Vorteile, die die Transportsysteme maßgeblich beeinflussen können und Energieverbrauch auf globaler Ebene. durch Verbesserung der Art und Weise, wie Elektrizität verteilt und genutzt wird, Verbesserung der Elektrofahrzeuge, damit sie zu einem brauchbaren Ersatz für den Verbrennungsmotor werden Fahrzeuge, und Verbesserung der Kraftstoffeffizienz und Verringerung der Verschmutzung der verbleibenden Kraftstoff verbrennenden Motoren Englisch: www.dlr.de/en/desktopdefault.aspx/t..._read-11876/ Die sic electronics GmbH verspricht mit ihren Energieerzeugungsanlagen und Stromerzeugungsanlagen das Potenzial, den Alltag aller Bürgerinnen und Bürger zu verbessern Planet Erde.
Während dieses Schreibens, viele der herausragenden theoretischen Versprechen der sic Elektronik in der hervorgehoben Der vorherige Abschnitt ist weitgehend unrealisiert. Eine kurze historische Untersuchung zeigt das schnell ernst Unzulänglichkeiten in der Halbleiterherstellbarkeit und Qualität haben die Entwicklung erheblich behindert Entwicklung von Halbleiter-Elektronik. aus einer einfachen Sicht, sic Elektronik Die Entwicklung folgt sehr stark der allgemeinen Faustregel, die ein elektronisches Festkörpergerät haben kann nur so gut wie das Halbleitermaterial, aus dem es besteht.
Reproduzierbare Wafer von angemessener Konsistenz, Größe, Qualität und Verfügbarkeit sind Voraussetzung für kommerzielle Massenproduktion von Halbleiterelektronik. viele Halbleitermaterialien können geschmolzen werden und reproduzierbar zu großen Einkristallen mit Hilfe eines Impfkristalls rekristallisiert, wie z Czochralski-Methode bei der Herstellung von fast allen Silizium-Wafern eingesetzt, so dass relativ groß Wafers zur Massenproduktion. jedoch, weil sic sublimiert statt zu vernünftigen erreichbar schmilzt Drücke können durch herkömmliche Schmelzwachstumstechniken nicht erzeugt werden. vor 1980 experimentell Elektronische Geräte waren auf kleine (typischerweise ~ 1) unregelmäßig geformte Kristallplättchen beschränkt gewachsen als ein Nebenprodukt des Acheson-Verfahrens zur Herstellung von industriellen Schleifmitteln (z. B. Sandpapier) oder durch den Lely-Prozess. im Lely - Prozess sublimiert aus polykristallinem Sic - Pulver bei Temperaturen in der Nähe von 2500 ° C sind zufällig kondensiert an den Wänden eines Hohlraums klein, hexagonal geformte Plättchen. während diese kleinen, nicht reproduzierbaren Kristalle einige grundlegende sic-Elektronik erlaubten Für die Halbleiter-Massenproduktion waren sie eindeutig nicht geeignet. als solches wurde Silizium das Dominante Halbleiter, die die Revolution der Festkörpertechnologie anheizen, während das Interesse an Mikroelektronik auf Halbleiterbasis zunimmt war limitiert.
Trotz des Fehlens von Substraten führten die möglichen Vorteile der Elektronik für feindliche Umgebungen zu bescheidenen Forschungsbemühungen, die darauf abzielten, Silizium in einer herstellbaren Waferform zu erhalten. Zu diesem Zweck wurde das heteroepitaxiale Wachstum von Einkristallschichten auf großflächigen Substraten durchgeführt Silikonsubstrate wurde 1983 zum ersten Mal durchgeführt, und im Laufe der Jahre folgten viele andere, die eine Vielzahl von Wachstumstechniken einsetzten. Vor allem aufgrund der großen Unterschiede in der Gitterkonstante (~ 20% Unterschied zwischen sic und si) und Wärmeausdehnungskoeffizient (~ 8% Unterschied) führt die Heteroepitaxie von Silizium unter Verwendung von Silizium als Substrat immer zu einem Wachstum von 3c-sic mit einer sehr hohen Dichte von kristallographischen Strukturdefekten wie Stapelfehlern, Mikrotwinen und Inversionsdomänengrenzen. andere großflächige Wafermaterialien neben Silizium (wie etwa Saphir, Silizium-auf-Isolator und Tic) wurden als Substrate für das heteroepitaktische Wachstum von Silizium-Epischichten verwendet, aber die resultierenden Filme hatten eine vergleichsweise schlechte Qualität mit hohen kristallographischen Defektdichten. Der vielversprechendste 3c-Silizium-auf-Silizium-Ansatz, der bisher die geringste kristallographische Defektdichte erreicht hat, beinhaltet die Verwendung von undulanten Silizium-Substraten. Jedoch bleiben selbst bei diesem hochgradig neuen Ansatz die Versetzungsdichten im Vergleich zu Silicium- und massiven hexagonalen Siliciumwafern sehr hoch. Während einige begrenzte elektronische Halbleiterbauelemente und -schaltungen in auf Silizium aufgewachsenem Silizium implementiert wurden, kann die Leistungsfähigkeit dieser Elektronik (zum jetzigen Zeitpunkt) durch die hohe Dichte kristallographischer Defekte in dem Maße, in dem sie fast keiner sind, als stark begrenzt angesehen werden Die in Abschnitt 5.3 diskutierten operativen Vorteile wurden erfolgreich umgesetzt. neben anderen Problemen \"lecken\" die Kristalldefekte einen parasitären Strom über in Sperrrichtung vorgespannte Vorrichtungsübergänge, wo kein Stromfluss erwünscht ist. weil übermßige Kristalldefekte zu Mängeln der elektrischen Vorrichtung führen, gibt es noch keine kommerzielle Elektronik, die auf großflächigen Substraten gewachsen ist. Daher hat 3c-sic, das auf Silizium aufgewachsen ist, gegenwärtig mehr Potenzial als mechanisches Material in Anwendungen für mikroelektromechanische Systeme (mems) (Abschnitt 5.6.5), anstatt nur als Halbleiter in der traditionellen Transistorelektronik verwendet zu werden.
in den späten 1970er Jahren, Tairov und tzvetkov etabliert die Grundprinzipien eines modifizierten Seed Sublimation Wachstum für Wachstum von 6h-sic. Dieser Prozess, der auch als modifizierter Lely-Prozess bezeichnet wird, war ein Durchbruch für den Halbleiter, da er die erste Möglichkeit bot, reproduzierbar große akzeptable Einkristalle zu erzeugen, die in massenproduzierte Halbleiterscheiben geschnitten und poliert werden konnten. Der grundlegende Wachstumsprozeß basiert darauf, polykristallines Ausgangsmaterial auf ~ 2400ºC unter Bedingungen zu erhitzen, wo es in die Dampfphase sublimiert und anschließend auf einem kühleren Keimkristall kondensiert. Dies erzeugt einen etwas zylindrischen Einkristall, der wächst in der Größenordnung von einigen Millimetern pro Stunde größer. bis heute ist die bevorzugte Ausrichtung des Wachstums im Sublimationsprozess derart, dass das vertikale Wachstum einer größeren zylindrischen Kugel entlang der \u0026 lt; 0 0 0 1 \u0026 gt; kristallographische c-Achsenrichtung (d. h. vertikale Richtung in Fig. 5.1). runde \"C-Achsen\" -Wafer mit Oberflächen, die normal (d. h. senkrecht zu innerhalb von 10º) zur c-Achse liegen, können aus der in etwa zylindrischen Kugel gesägt werden. Nach Jahren der weiteren Entwicklung des Sublimationswachstums entwickelte sich Cree, Inc. als erstes Unternehmen 1989 mit einem Durchmesser von 2,5 cm auf Halbleiterwafern mit c-Achsen-orientiertem 6h-sic. Entsprechend entwickelte sich die überwiegende Mehrheit der sic-halbleiter-elektronik die Kommerzialisierung erfolgt seit 1990 mit c-Achsen-orientierten sic-Wafern der 6h- und 4h-sic-Polytypen. n-Typ-, p-Typ- und halbisolierende sic-Wafer verschiedener Größen (gegenwärtig so groß wie 7,6 cm im Durchmesser) sind jetzt im Handel von einer Vielzahl von Herstellern erhältlich. Es ist anzumerken, dass die erreichbaren Substratleitfähigkeiten für p-Typ-Wafer mehr als 10 × kleiner als für n-Typ-Substrate sind, was größtenteils auf den Unterschied zwischen Ionisierungsenergien von Donor- und Akzeptor-Dotierung in sic zurückzuführen ist (Tabelle 5.1). In neuerer Zeit wurden auch sic-Wafer kommerzialisiert, die mit Gasquellen anstelle von Sublimation von festen Quellen oder einer Kombination von Gas- und Feststoffquellen gezüchtet wurden. Das Wachstum von sic boules und Wafern, die entlang anderer kristallographischer Richtungen orientiert sind, wie beispielsweise \"a-face\" Orientierungen, wurden ebenfalls in den letzten zehn Jahren untersucht. während diese anderen sic-wafer-orientierungen einige interessante unterschiede in den vorrichtungseigenschaften im Vergleich zu herkömmlichen c-achsen-orientierten wafern (kurz in abschnitt 5.5.5 erwähnt) aufweisen, werden alle kommerziellen sic-elektronikteile, die zum jetzigen zeitpunkt hergestellt werden, mit c-achsen hergestellt -orientierte Wafer. Wafergröße, Kosten und Qualität sind alle sehr kritisch für die Herstellbarkeit und die Prozessausbeute der massenproduzierten Halbleitermikroelektronik. im V...
Die meisten elektronischen Geräte werden nicht direkt in Sublimations-gewachsenen Wafern hergestellt, sondern stattdessen in Epitaxieschichten mit viel höherer Qualität hergestellt, die auf dem anfänglichen sublimationsgewachsenen Wafer aufgewachsen werden. gut gewachsene sic epilayers haben überlegene elektrische Eigenschaften und sind kontrollierbarer und reproduzierbarer als sublimationsgewachsenes sic-Wafermaterial. Daher ist das kontrollierte Wachstum qualitativ hochwertiger Epitaxieschichten sehr wichtig für die Realisierung nützlicher Elektronik.
Es wurde eine interessante Vielfalt von epitaxialen Aufwachsverfahren untersucht, die von Flüssigphasenepitaxie, Molekularstrahlepitaxie und chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) reichen. Die cvd-Wachstumstechnik wird allgemein als die vielversprechendste Methode zur Erzielung der Reproduzierbarkeit, Qualität und Durchsätze von Epilaugen in der Massenproduktion akzeptiert. Im einfachsten Fall werden Variationen von sic cvd durch Erhitzen von Substraten in einem Kammer- \"Reaktor\" mit strömenden silizium- und kohlenstoffhaltigen Gasen durchgeführt, die si und c auf dem Wafer zersetzen und ablagern, wodurch ein Epilayer in einem Bohrloch wachsen kann. geordnete Einkristall-Mode unter gut kontrollierten Bedingungen. Herkömmliche sic-cvd-Epitaxiewachstumsprozesse werden bei Substratwachstumstemperaturen zwischen 1400ºC und 1600ºC bei Drücken von 0,1 bis 1 atm durchgeführt, was zu Wachstumsraten in der Größenordnung von einigen Mikrometern pro Stunde führt. sic cvd-Wachstumsprozesse mit höherer Temperatur (bis zu 2000ºC), einige unter Verwendung von Wachstumschemie auf Halogenidbasis, werden ebenfalls Pionierarbeit geleistet, um höhere Epischichtwachstumsraten in der Größenordnung von Hunderten von Mikrometern pro Stunde zu erhalten, die für das Wachstum von Massensignalen ausreichend erscheinen Boules zusätzlich zu sehr dicken Epitaxieschichten, die für Hochspannungsvorrichtungen benötigt werden. trotz der Tatsache, dass die sic-Wachstumstemperaturen die epitaktischen Wachstumstemperaturen, die für die meisten anderen Halbleiter verwendet werden, deutlich übersteigen, wurden eine Vielzahl von sic-cvd-epitaktischen Wachstumsreaktorkonfigurationen entwickelt und kommerzialisiert. zum Beispiel verwenden einige Reaktoren einen horizontalen Reaktionsgasstrom über den SiC-Wafer, während andere auf den vertikalen Fluss von Reaktionsgasen angewiesen sind; Einige Reaktoren haben Wafers, die von erhitzten \"Heißwand\" - oder \"Warmwand\" -Konfigurationen umgeben sind, während andere \"Kaltwand\" -Reaktoren nur einen Suszeptor erhitzen, der sich direkt unter dem Sic-Wafer befindet. Die meisten Reaktoren, die für die kommerzielle Produktion von Halbleiterelektronik verwendet werden, drehen die Probe, um eine hohe Gleichmäßigkeit der Epischichtparameter über den Wafer sicherzustellen. sic cvd-Systeme, die gleichzeitig Epilayer auf mehreren Wafern wachsen lassen, haben einen höheren Wafer-Durchsatz für die Herstellung von elektronischen Geräten ermöglicht.
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