elektronische Halbleitervorrichtungen auf Siliziumkarbid-Basis werden derzeit entwickelt zur Verwendung in Hochtemperatur-, Hochleistungs- und Hochstrahlungsbedingungen, unter denen herkömmliche Halbleiter verwendet werden kann nicht angemessen ausführen. die Fähigkeit von Siliziumkarbid, unter solchen extremen Bedingungen zu funktionieren Es wird erwartet, dass signifikante Verbesserungen für eine Vielzahl von Anwendungen und Systemen ermöglicht werden. Diese reichen von einer stark verbesserten Hochspannungsschaltung zur Energieeinsparung in der öffentlichen Stromversorgung Verteilung und Elektromotor Antriebe zu leistungsfähigere Mikrowellenelektronik für Radar und Kommunikation Sensoren und Steuerungen für sauberere, sparsamere Düsenflugzeuge und -fahrzeuge Motoren. In dem speziellen Bereich der Leistungsgeräte haben theoretische Bewertungen gezeigt, dass sic Leistungs-MOSFETs und Diodengleichrichter würden über höhere Spannungs- und Temperaturbereiche betrieben werden überlegene Schalteigenschaften und haben dennoch eine Matrizengröße, die fast 20 mal kleiner ist als entsprechend bewertete siliziumbasierte Geräte. Diese enormen theoretischen Vorteile müssen jedoch noch weit verbreitet sein in kommerziell erhältlichen Geräten realisiert, vor allem aufgrund der Tatsache, dass sic relativ unreif ist Technologien für das Kristallwachstum und die Herstellung von Bauelementen sind noch nicht in dem erforderlichen Maße entwickelt für den zuverlässigen Einbau in die meisten elektronischen Systeme. Dieses Kapitel befasst sich kurz mit der Halbleiterelektronik. insbesondere die Unterschiede (sowohl gut als auch schlecht) zwischen sic elektronik technologie und der bekannten silicon vlsi technologie sind markiert. Die prognostizierten Leistungsvorteile der sic-elektronik werden für mehrere Großprojekte hervorgehoben Anwendungen. wichtige Probleme des Kristallwachstums und der Bauelementeherstellung, die derzeit die Leistungsfähigkeit einschränken und beeinträchtigen Fähigkeit der Hochtemperatur- und Hochleistungselektronik erkannt.
Siliciumcarbidmaterialien wandeln sich derzeit von Forschung und Entwicklung zu einem marktorientierten Herstellungsprodukt. sic Substrate werden derzeit als Basis für einen großen Teil der weltweiten Produktion von grünen, blauen und ultravioletten Leuchtdioden (LEDs) verwendet. Emerging Markets für sic homoepitaxy umfassen Hochleistungs-Schaltgeräte und Mikrowellengeräte für s- und x-Band. Anwendungen für heteroepitaxiale Gan-basierte Strukturen auf Substraten umfassen LEDs und Mikrowellengeräte. Diese aufregenden Geräteergebnisse stammen in erster Linie aus der Nutzung der einzigartigen elektrischen und thermophysikalischen Eigenschaften, die sic im Vergleich zu si und Gaas bietet. unter diesen sind: eine große Bandlücke für Hochtemperaturbetrieb und Strahlungsbeständigkeit; hohes kritisches Durchbruchsfeld für hohe Ausgangsleistung; hohe gesättigte Elektronengeschwindigkeit für Hochfrequenzbetrieb; deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit für das thermische Management von Hochleistungsgeräten.
Siliciumcarbid kommt in vielen verschiedenen Kristallstrukturen vor, die Polytypen genannt werden. trotz der Tatsache, dass alle SiC-Polytypen chemisch aus 50% Kohlenstoffatomen bestehen, die kovalent mit 50% Siliciumatomen verbunden sind, hat jeder SiC-Polytyp seine eigenen charakteristischen Eigenschaften elektrischer Halbleiter. während es über 100 bekannte Polytypen von Sic gibt, werden nur einige wenige in einer reproduzierbaren Form gezüchtet, die für die Verwendung als ein elektronischer Halbleiter annehmbar ist. Die gebräuchlichsten Polytypen von Silizium, die gegenwärtig für die Elektronik entwickelt werden, sind 3c-sic, 4h-sic und 6h-sic. Die atomare Kristallstruktur der beiden häufigsten Polytypen ist im schematischen Querschnitt in der Figur gezeigt. wie viel ausführlicher in den Referenzen 9 und 10 diskutiert, sind die verschiedenen Polytypen von sic tatsächlich aus verschiedenen Stapelsequenzen von Si-c-Doppelschichten (auch Si-C-Doppelschichten genannt) zusammengesetzt, wobei jede einzelne Si-Doppelschicht durch die gepunktete bezeichnet ist Kästchen in Abbildung. Jedes Atom in einer Doppelschicht hat drei kovalente chemische Bindungen mit anderen Atomen in der gleichen (eigenen) Doppelschicht und nur eine Bindung mit einem Atom in einer benachbarten Doppelschicht. Abbildung 5.1a zeigt die Doppelschicht der Stapelsequenz des 4h-sic-Polytyps, die vier sic-Doppelschichten erfordert, um den Wiederholungsabstand der Einheitszelle entlang der Stapelrichtung der c-Achse zu definieren (bezeichnet durch Miller-Indizes). In ähnlicher Weise wiederholt der 6h-sic-Polytyp seine Stapelsequenz alle sechs Doppelschichten entlang des Kristalls entlang der Stapelrichtung. Die in der Figur gezeigte Richtung wird oft als eine der (zusammen mit) den a-Achsenrichtungen bezeichnet. sic ist ein polarer Halbleiter über die c-Achse, wobei eine zur c-Achse senkrechte Oberfläche mit Siliziumatomen abgeschlossen ist, während die gegenüberliegende normale c-Achsenoberfläche mit Kohlenstoffatomen abgeschlossen ist. Wie gezeigt, werden diese Oberflächen typischerweise als "Siliziumfläche" bzw. "Kohlenstofffläche" bezeichnet. Atome entlang der linken oder rechten Seitenkante der Figur würden auf einer "a-face" -Kristalloberflächenebene senkrecht zu der Richtung liegen. 3c-sic, auch als β-sic bezeichnet, ist die einzige Form von sic mit einer kubischen Kristallgitterstruktur. die nichtcubischen Polytypen von sic werden manchmal zweideutig als α-sic bezeichnet. 4h-sic und 6h-sic sind nur zwei der vielen möglichen sic-Polytypen mit hexagonaler Kristallstruktur. Ähnlich ist 15r-sic der häufigste der vielen möglichen sic-Polytypen mit einer rhomboedrischen Kristallstruktur.
aufgrund der unterschiedlichen Anordnung der Si - und C - Atome innerhalb des Sic - Kristallgitters, jeder Sic - Polytyp weist einzigartige grundlegende elektrische und optische Eigenschaften auf. einige der wichtigeren Halbleiter Die elektrischen Eigenschaften der Polytypen 3c, 4h und 6h sind in Tabelle 5.1 angegeben. viel mehr detaillierte elektrische Eigenschaften können in den Referenzen 11 bis 13 und den Referenzen darin gefunden werden. sogar innerhalb eines Bei gegebenem Polytyp sind einige wichtige elektrische Eigenschaften nicht-isotrop, da sie starke Funktionen sind der kristallographischen Richtung des Stromflusses und des angelegten elektrischen Feldes (z. B. Elektronenbeweglichkeit) für 6h-sic). Dotierstoffverunreinigungen können in energetisch nicht äquivalente Stellen eingebaut werden. während alle Dotierungsionisationsenergien, die mit verschiedenen Dotierstoffeinbaustellen assoziiert sind, sollten normalerweise sein In Tabelle 5.1 sind nur die oberflächlichsten Ionisationsenergien aufgeführt Verunreinigung.
Siliciumcarbid kommt in vielen verschiedenen Kristallstrukturen vor, die Polytypen genannt werden. ein umfassenderes Eine Einführung in die Sic-Kristallographie und den Polytypismus findet sich in Lit. 9., trotz der Tatsache, dass alle Si-Polytypen bestehen chemisch aus 50% Kohlenstoffatomen, die kovalent mit 50% Siliciumatomen verbunden sind, Jeder Sic-Polytyp hat seine eigenen charakteristischen Eigenschaften elektrischer Halbleiter. während es vorbei ist 100 bekannten Polytypen von sic, nur wenige werden üblicherweise in einer für die Verwendung akzeptablen reproduzierbaren Form gezüchtet als ein elektronischer Halbleiter. die häufigsten Polytypen von sic, für die zur Zeit entwickelt wird Elektronik ist 3c-sic, 4h-sic und 6h-sic. die atomare Kristallstruktur der beiden häufigsten Polytypen ist im schematischen Querschnitt in Abbildung 5.1 dargestellt. wie viel ausführlicher in Referenzen 9 und 10, die verschiedenen Polytypen von Sic sind tatsächlich aus verschiedenen Stapelsequenzen zusammengesetzt von Si-C-Doppelschichten (auch Si-C-Doppelschichten genannt), wobei jede einzelne Si-Doppelschicht durch die punktierte bezeichnet ist Kästchen in Abbildung 5.1. Jedes Atom in einer Doppelschicht hat drei kovalente chemische Bindungen mit anderen Atomen in die gleiche (eigene) Doppelschicht und nur eine Bindung an ein Atom in einer benachbarten Doppelschicht. Abbildung 5.1a zeigt die Doppelschicht der Stapelsequenz des 4h-sic-Polytyps, die vier sic-Doppelschichten benötigt, um die Einheit zu definieren Zellwiederholungsabstand entlang der Stapelrichtung der C-Achse (bezeichnet durch Miller-Indizes). ähnlich, Der in Abbildung 5.1b dargestellte 6h-sic-Polytyp wiederholt seine Stapelsequenz alle sechs Doppelschichten der Kristall entlang der Stapelrichtung. das Die in Abbildung 5.1 dargestellte Richtung wird oft als eine von (zusammen mit ) die a-Achsenrichtungen. sic ist ein polarer Halbleiter über die c-Achse in dieser einen Oberfläche normal zur c-Achse ist mit Siliziumatomen abgeschlossen, während die gegenüberliegende normale c-Achsenoberfläche ist mit Kohlenstoffatomen abgeschlossen. Wie in Abbildung 5.1a gezeigt, werden diese Oberflächen normalerweise als bezeichnet \"Siliziumfläche\" bzw. \"Kohlenstofffläche\". Atome entlang der linken oder rechten Kante von Abbildung 5.1a würde auf \"a-face\" Kristalloberfläche liegen Ebene normal zur Richtung. 3c-sic, auch als β-sic bezeichnet, ist die einzige Form von sic mit einer kubischen Kristallgitterstruktur. die nichtkubischen Polytypen von sic werden manchmal zweideutig als α-sic bezeichnet. 4h-sic und 6h-sic sind nur zwei von vielen. Abbildung 5.1 schematische Querschnittsdarstellungen von (a) 4h-sic und (b) 6h-sic atomaren Kristallstruktur, zeigt wichtige kristallographische Richtungen und Oberflächen. mögliche sic Polytypen mit hexagonaler Kristallstruktur. ähnlich ist 15r-sic der häufigste der viele mögliche sic Polytypen mit einer rhomboedrischen Kristallstruktur.
aufgrund der unterschiedlichen Anordnung der Si - und C - Atome innerhalb des Sic - Kristallgitters, jeder Sic - Polytyp weist einzigartige grundlegende elektrische und optische Eigenschaften auf. einige der wichtigeren Halbleiter Die elektrischen Eigenschaften der Polytypen 3c, 4h und 6h sind in Tabelle 5.1 angegeben. viel mehr detaillierte elektrische Eigenschaften können in den Referenzen 11 bis 13 und den Referenzen darin gefunden werden. sogar innerhalb eines Bei gegebenem Polytyp sind einige wichtige elektrische Eigenschaften nicht-isotrop, da sie starke Funktionen sind der kristallographischen Richtung des Stromflusses und des angelegten elektrischen Feldes (z. B. Elektronenbeweglichkeit) für 6h-sic). Dotierstoffverunreinigungen können in energetisch nicht äquivalente Stellen eingebaut werden. während alle Dotierungsionisationsenergien, die mit verschiedenen Dotierstoffeinbaustellen assoziiert sind, sollten normalerweise sein In Tabelle 5.1 sind nur die oberflächlichsten Ionisationsenergien aufgeführt Verunreinigung. Tabelle 5.1 Vergleich ausgewählter wichtiger elektronischer Halbleitereigenschaften großer Polytypen mit Silizium, Gaas und 2h-Gan bei 300 k Zum Vergleich enthält Tabelle 5.1 auch vergleichbare Eigenschaften von Silizium, GaAs und GaN. weil Silizium ist der Halbleiter, der in den meisten kommerziellen Festkörper-Elektroniken verwendet wird, es ist der Standard gegen welche andere Halbleitermaterialien ausgewertet werden müssen. in unterschiedlichem Maße das Haupt sic Polytypen zeigen Vor- und Nachteile in den grundlegenden Materialeigenschaften im Vergleich zu Silizium. das Die vorteilhaftesten inhärenten Materialüberlegenheiten von Silizium gegenüber Silizium, die in Tabelle 5.1 aufgeführt sind, sind seine außergewöhnlichen hohes elektrisches Durchbruchfeld, große Bandlückenenergie, hohe Wärmeleitfähigkeit und hohe Trägersättigung Geschwindigkeit. Die Vorteile der elektrischen Vorrichtung, die jede dieser Eigenschaften ermöglicht, werden diskutiert Im nächsten Abschnitt werden die Vorteile auf Systemebene durch verbesserte sic-Geräte erläutert.
Zwei der wichtigsten Vorteile, die sic-basierte Elektronik bietet, sind in den Bereichen der Hochtemperatur und Hochleistungsgerät Betrieb. die spezifische sic Gerätphysik, die Hochtemperatur- und ermöglicht High-Power-Fähigkeiten werden zuerst untersucht, gefolgt von mehreren Beispielen für revolutionäre Systemebene Leistungsverbesserungen, die diese erweiterten Funktionen ermöglichen.
die große Bandlückenenergie und die geringe intrinsische Trägerkonzentration von sic ermöglichen die Aufrechterhaltung von sic Halbleiterverhalten bei viel höheren Temperaturen als Silizium, was wiederum Halbleiter ermöglicht Gerätefunktionalität bei viel höheren Temperaturen als Silizium. wie in Basic diskutiert Physik-Lehrbücher der Halbleiterelektronischen Vorrichtung, Funktion der Halbleiterelektronischen Geräte in dem Temperaturbereich, in dem intrinsische Träger vernachlässigbar sind, so dass die Leitfähigkeit gesteuert wird durch absichtlich eingebrachte Dotierstoffverunreinigungen. ferner die intrinsische Trägerkonzentration ist ein grundlegender Vorfaktor für wohlbekannte Gleichungen, die den unerwünschten Sperrschichtverlust in Sperrschichtverbindung steuern Ströme. Wenn die Temperatur ansteigt, steigen die intrinsischen Träger exponentiell, so dass ein unerwünschter Leckstrom auftritt Ströme wachsen unakzeptabel groß und schließlich bei noch höheren Temperaturen der Halbleiter Der Betrieb der Vorrichtung wird durch unkontrollierte Leitfähigkeit überwunden, da die intrinsischen Träger intentional sind Gerätedopings. abhängig von dem spezifischen Gerätedesign, der intrinsischen Trägerkonzentration von Silizium begrenzt im Allgemeinen den Betrieb der Siliziumvorrichtung auf Sperrschichttemperaturen \u0026 lt; 300 ° C. Sic ist viel kleiner Die intrinsische Ladungsträgerkonzentration erlaubt theoretisch den Betrieb der Vorrichtung bei Temperaturen über dem Übergang 800 ° c. 600 ° C sic Gerät Operation wurde experimentell auf einer Vielzahl von demonstriert sic Geräte. die Möglichkeit, ungekühlte Hochtemperatur-Halbleiterelektronik direkt in die Wärme zu setzen Umgebungen würden wichtige Vorteile für die Automobil-, Luft- und Raumfahrt- und Tiefbohrungen ermöglichen Industrien. im Fall von Automobil - und Luftfahrtmotoren verbesserte elektronische Telemetrie und eine Steuerung von Hochtemperatur-Motorregionen ist notwendig, um die Verbrennung genauer zu steuern Verfahren zur Verbesserung der Kraftstoffeffizienz bei gleichzeitiger Reduzierung der Schadstoffemissionen. Hochtemperaturfähigkeit eliminiert Leistung, Zuverlässigkeit und Gewicht Nachteile im Zusammenhang mit Flüssigkeitskühlung, Lüfter, thermische Abschirmung, und längere Drahtläufe benötigt, um ähnliche Funktionalität in konventionellen Motoren zu realisieren Silizium-Halbleiter-Elektronik.
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