Материалы микроэлектроники (стр. 1 )

Материалы

микроэлектроники

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ШИРОКОЗОННЫХ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

В СОВРЕМЕННОЙ ЭЛЕКТРОНИКЕ

, ,

ОАО "Электровыпрямитель", г. Саранск

Современная полупроводниковая электроника базируется пока на кремнии (Si) и арсениде галлия (GaAs). В то же время параметры кремниевых и арсенидгаллиевых приборов уже подошли к своему физическому пределу, устанавливаемому фундаментальными характеристиками этих материалов. Поэтому в настоящее время для создания приборов электроники нового поколения все более актуальным становится освоение новых полупроводниковых материалов с большей шириной запрещенной зоны, которые способны дать новый импульс научно-техническому прогрессу.

К наиболее перспективным широкозонным полупроводниковым материалам следующего поколения относится карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN), обладающие уникальными физическими и электронными свойствами. К этим свойствам относятся: широкая запрещенная зона (в три раза больше, чем у кремния), высокое критическое поле лавинного пробоя (приблизительно в 10 раз больше, чем у кремния), высокая насыщенная скорость дрейфа электронов (в 2,5 раза больше, чем в кремнии и арсениде галлия) и др..

Карбид кремния существует в различных кристаллических модификациях (например, кубической, гексагональной, ромбоэдрической). Из всех существующих модификаций для изготовления полупроводниковых приборов лучшим является только гексагональный политип 4H SiC, так как он имеет самую высокую подвижность электронов, а его получение настолько успешно, что в настоящее время на его основе начался процесс серийного производства полупроводниковых приборов.

4H SiC – это полупроводниковый материал с широкой запрещенной зоной, которой при высоких температурах не плавится, а сублимирует и является очень твердым. В таблице 1 приведены наиболее важные для электроники его физические параметры при температуре 300 K.

Большой интерес для конструирования полупроводниковых приборов представляет максимально допустимая концентрация легирующей примеси, необходимая для обеспечения заданного значения блокируемого напряжения (UBR). Если допустить, что полупроводниковый материал однородно легирован и прибор сконструирован без смыкания базы, то получается, что для того чтобы достичь заданное значение UBR, SiC по сравнению с кремнием может быть легирован значительно сильнее (см.
таблицу 1). Таким образом, при блокировании заданного напряжения в SiC область пространстве нного заряда может быть приблизительно в 10 раз меньше, чем в Si, а легирование SiC может быть приблизительно в 100 раз выше. Учитывая более низкую подвижность электронов в SiC, получается, что дрейфовое сопротивление в SiC силовых приборах может быть в 700 раз меньше, чем в кремниевых силовых приборах, при их равной площади.

Таблица 1

Физические параметры кремния и SiC.

(VB – блокирующее напряжение)

Параметр		SiC	4H SiC
Ширина запрещенной зоны, Eg	эВ	1,12	3,26
Собственная концентрация носителей заряда, ni	см-3	1,4·1010	5·10-9
Подвижность электронов, μn	см2/В·с	1400	1000
Критическое электрическое поле Ec (VB=1200 В)	МВ/см	0,24	2,64
Концентрация легирующей примеси (VB=1200 В)	см-3	1,57·1014	1,56·1016
Относительная диэлектрическая проницаемость, εr		11,8	9,7
Теплопроводность, λ	Вт/см·К	1,5	3,5

Эти свойства SiC делают его очень привлекательным материалом для большинства монополярных приборов, таких как диоды Шоттки, полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом (JFET), MESFET и др.

С другой стороны p-n-переход SiC, легированный до 1014 см-3, может блокировать напряжение до 50 кВ при ширине области пространственного заряда 730 мкм, в то время как p-n-переход, созданный в также легированном кремнии можно блокировать напряжение 1,7 кВ. Таким образом биполярные полупроводниковые приборы на SiC значительно могут превосходить биполярные полупроводниковые приборы на Si по величине блокируемого напряжения и быстродействию.

Кроме того способность SiC приборов работать при экстремально высоких температурах до 600 - 700°С (для сравнения: кремниевые приборы работоспособны только до 150-200°С) позволяет резко увеличить удельную мощность, коммутируемую этими приборами.

На рис. 1 приведена структура SiC диода Шоттки SDTO4S60 фирмы Infineon Technoloqies. Эти диоды в основном предназначаются для работы в качестве бустерных диодов в импульсных источниках вторичного электропитания (параметры бустерных диодов влияют на коммутационные потери в таких источниках). В SiC диодах обратный ток переключения очень мал; нет влияния температуры на динамические характеристики переключения; практически отсутствуют токи утечки (см. рис. 2).

а) б)

Рис. 1. Cтруктура SiC диода Шоттки SDTO4S60 фирмы Infineon Technoloqies (a – вертикальное сечение SiC диода Шоттки; б – кристалл SiC диода Шоттки).

Рис. 2. SiC диоды Шоттки SDB06S60 фирмы Infineon Technoloqies и их характеристики выключения по сравнению с аналогичными характеристиками кремниевых pin-диодов.

На рис. 3 представлена структура прибора JFET, который разработан рядом фирм и в ближайшее время может быть запущен в производство. В нем в открытом состоянии поток электронов течет от источника тока через боковой канал, ширина которого определяется двумя p-n-переходами и через щель между двумя скрытыми затворами вертикально к стоку.

Рис. 3. Схематическое изображение поперечного сечения JFET

В настоящее время JFET с размером чипа 2,7 мм × 2,3 мм (с площадью активной области 4,1 мм2) имеет сопротивление в отрытом состоянии 0,24 Ом при комнатной температуре и могут блокировать напряжения
1200 В.

Его недостатком является то, что он является «нормально открытым» прибором. Для устранения этого недостатка JFET соединяется в SiC\Si каскодную схему с MOSFET, как показано на рис. 4.

Рис. 4. SiC\Si гибридная каскодная схема.

Производство биполярных приборов в ближайшие несколько лет вряд ли начнется. Это в основном определяется недостаточно высоким качеством и высокой ценой коммерчески доступного SiC. Тем не менее имеются сообщения о создании силовых тиристоров на блокируемое напряжение
10 кВ и ток 100 А на кристалле площадью 1 см2. На Si тиристор аналогичной площади имеет блокирующее напряжение 1500 В и ток 10 А.

В настоящее время наибольшая часть производимого в мире монокристаллического SiC (70 - 80%) используется в качестве подложечного материала для производства светодиодов видимого диапазона на основе нитридов галлия, индия и алюминия (InGaN, AlGaN/GaN) (это производство в последние годы развивается очень быстрыми темпами, см. рис. 5).

По сравнению с традиционными подложками из лейкосапфира (Al2O3), SiC обладает рядом преимуществ для создания приборов на основе нитридов галлия - меньшим рассогласованием параметров кристаллической решетки (3,5% против 16%), большей теплопроводностью, высокой электропроводностью (это позволяет использовать вертикальную топологию приборов и увеличить степень их интеграции на пластине).

Другим перспективным полупроводниковым материалом является нитрид галлия. На его основе уже разработан ряд приборов: яркие светодиоды, излучающие в зелено-голубой и ультрафиолетовой частях спектра (в настоящее время в мире осуществляется их массовое производство), лазерные диоды, СВЧ транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT) и др.

Промышленное применение широкозонных полупроводников (SiC) сейчас только начинается. Тем не менее в 2004 году объем продаж изделий из монокристаллического SiC составил ~ 400 млн. долларов США и за последние годы растет на 35% ежегодно.

Объем продаж полупроводниковых приборов на основе GaN (в основном яркие светодиоды) составил в 2004 году ~2,5 млр. долларов США. Можно ожидать, что к 2007-2008 годам он достигнет 5 млрд. долларов США.

Вместе с тем вполне вероятным представляется, что к 2010 - 2015 гг. большая часть военной электроники США и стран НАТО будет изготавливаться на основе карбида кремния и нитридных соединений. Поэтому, если не принять экстренные меры по разработке аналогичной отечественной электроники, это сделает Российские военные системы управления неконкурентоспособными и малоэффективными.

В течение последних 10 - 12 лет из-за прекращения государственного финансирования исследований и отсутствия внутреннего платежеспособного рынка высоких технологий произошло существенное отставание исследований и разработок в области SiC и GaN в России от мирового уровня. Несмотря на то, что до этого времени она занимала лидирующие позиции в мире. В то же время в России имеется большой научно-технический задел по этим работам. Поэтому при выделении необходимого финансирования и объедини потенциалов соответствующих научных школ и изготовителей возможно создании в России новой ультрасовременной отрасли полупроводниковой промышленности. Это позволит снять зависимость потенциальных российских потребителей SiC и GaN приборов от импортных поставок, а с другой стороны принести ощутимую коммерческую выгоду.