2020-03-17
2020-03-09
el campo de descomposición alto y la alta conductividad térmica de sic junto con una unión operativa alta las temperaturas teóricamente permiten densidades y eficiencias de muy alta potencia para ser realizadas en sic dispositivos. el campo de descomposición alto de sic en relación con el silicio permite la región de voltaje de bloqueo de un el dispositivo de potencia debe ser aproximadamente 10 veces más delgado y 10 veces más pesado, lo que permite un aumento aproximado de 100 veces disminución beneficiosa en la resistencia de la región de bloqueo en la misma capacidad de voltaje. energía significativa pérdidas en muchos circuitos de sistemas de alta potencia de silicio, particularmente en motores de conmutación dura y energía circuitos de conversión, surgen de la pérdida de energía de conmutación de semiconductores. mientras que la física de la pérdida de conmutación del dispositivo semiconductor se trata en detalle en otra parte, la pérdida de energía de conmutación es a menudo una función del tiempo de apagado del dispositivo de conmutación de semiconductores, generalmente definido como el lapso de tiempo entre la aplicación de un sesgo de apagado y el momento en que el dispositivo realmente corta la mayoría del flujo de corriente. en general, cuanto más rápido se apaga un dispositivo, menor es la pérdida de energía en un conmutador circuito de conversión de potencia. por razones de topología del dispositivo discutidas en las referencias 3,8 y 19-21, sic's El campo de descomposición alto y el ancho de banda de energía permiten conmutación de potencia mucho más rápida de lo que es posible en dispositivos comparables de conmutación de potencia de silicio de voltios y amperios. el hecho de que la operación de alto voltaje se logra con regiones de bloqueo mucho más delgadas que usan sic permite una conmutación mucho más rápida (para clasificación de voltaje) en estructuras de dispositivos de potencia unipolares y bipolares. por lo tanto, el poder basado en sic los convertidores podrían operar a frecuencias de conmutación más altas con una eficiencia mucho mayor (es decir, menos conmutación) pérdida de energía). mayor frecuencia de conmutación en los convertidores de potencia es muy deseable porque permite el uso de condensadores, inductores y transformadores más pequeños, lo que a su vez puede reducir en gran medida tamaño, peso y costo del convertidor de potencia. mientras que la resistencia a la conexión más pequeña de sic y el cambio más rápido ayudan a minimizar la pérdida de energía y la generación de calor, La conductividad térmica más alta de sic permite una eliminación más eficiente de la energía térmica residual del activo dispositivo. porque la eficiencia de la radiación de la energía térmica aumenta mucho al aumentar la diferencia de temperatura entre el dispositivo y el ambiente de enfriamiento, la capacidad de sic para operar a altas temperaturas de unión permite se produce una refrigeración mucho más eficiente, de modo que los disi...
la operación no enfriada de electrónica sic de alta temperatura y alta potencia permitiría revolucionarias mejoras a los sistemas aeroespaciales. reemplazo de controles hidráulicos y unidades de potencia auxiliares con Los controles electromecánicos \"inteligentes\" distribuidos capaces de funcionar en ambientes hostiles permitirán una gran cantidad de ahorro de peso de la aeronave-jet, mantenimiento reducido, contaminación reducida, mayor eficiencia de combustible y mayor confiabilidad operacional Los conmutadores sic de alta potencia de estado sólido también permitirán grandes aumentos de eficiencia en administración y control de energía eléctrica. las ganancias de rendimiento de la electrónica sic podrían permitir la red eléctrica pública para proporcionar una mayor demanda de electricidad al consumidor sin construir adicionales plantas de generación, y mejorar la calidad de la energía y la confiabilidad operacional a través de la administración de energía \"inteligente\". Unidades de motor eléctrico más eficientes habilitadas por sic también beneficiarán a la producción industrial sistemas así como sistemas de transporte tales como locomotoras ferroviarias diesel-eléctricas, tránsito masivo eléctrico sistemas, naves de propulsión nuclear y automóviles y autobuses eléctricos. de las discusiones anteriores, debería ser evidente que sic de alta potencia y alta temperatura de estado sólido la electrónica promete enormes ventajas que podrían afectar significativamente los sistemas de transporte y uso de energía a escala global. mejorando la forma en que se distribuye y utiliza la electricidad, mejorar los vehículos eléctricos para que se conviertan en reemplazos más viables para el motor de combustión interna vehículos, y mejorar la eficiencia del combustible y reducir la contaminación de los motores restantes que queman combustible y las plantas de generación, electrónica sic promete el potencial para mejorar la vida cotidiana de todos los ciudadanos de planeta Tierra.
a partir de este escrito, gran parte de la promesa teórica sobresaliente de electrónica sic destacada en el la sección anterior en gran parte no se ha realizado. un breve examen histórico muestra rápidamente que deficiencias en la fabricación y calidad del material semiconductor sic han obstaculizado en gran medida la desarrollo de electrónica de semiconductores sic. desde un punto de vista simple, sic electronics el desarrollo ha seguido en gran medida la regla general de que un dispositivo electrónico de estado sólido puede solo será tan bueno como el material semiconductor del que está hecho.
Las obleas reproducibles de consistencia razonable, tamaño, calidad y disponibilidad son un requisito previo para producción comercial masiva de productos electrónicos semiconductores. muchos materiales semiconductores se pueden derretir y recristalizar de forma reproducible en cristales individuales grandes con la ayuda de un cristal de siembra, como en el método czochralski empleado en la fabricación de casi todas las obleas de silicio, permitiendo un tamaño razonablemente grande obleas para ser producidas en masa. sin embargo, porque sic sublima en lugar de derretirse a un nivel razonablemente alcanzable presiones, sic no se puede cultivar mediante técnicas convencionales de crecimiento en estado fundido. antes de 1980, experimental Los dispositivos electrónicos sic se limitaron a pequeñas plaquetas de cristal sic de forma irregular (generalmente ~ 1) crecido como un subproducto del proceso acheson para la fabricación de abrasivos industriales (por ejemplo, papel de lija) o por el proceso de lely. en el proceso de lely, sic sublimado a partir de polvo policristalino sic en las temperaturas cercanas a los 2500 ° C se condensan aleatoriamente en las paredes de una cavidad que forma un pequeño hexagonal plaquetas en forma. mientras que estos pequeños cristales no reproducibles permitieron algunos componentes básicos de electrónica sic investigación, claramente no eran adecuados para la producción en masa de semiconductores. como tal, el silicio se convirtió en el semiconductor dominante alimentando la revolución de la tecnología de estado sólido, mientras que el interés en la microelectrónica basada en sic fue limitado.
a pesar de la ausencia de sustratos sic, los beneficios potenciales de la electrónica sic de ambiente hostil impulsaron modestos esfuerzos de investigación dirigidos a obtener sic en una forma de oblea fabricable. Hacia este extremo, el crecimiento heteroepitaxial de capas sic de cristal único encima de una gran área siliconsubstrates se llevó a cabo por primera vez en 1983, y posteriormente siguió una gran cantidad de otros a lo largo de los años utilizando una variedad de técnicas de crecimiento. principalmente debido a las grandes diferencias en la constante de red (~ 20% de diferencia entre sic y si) y el coeficiente de expansión térmica (~ 8% de diferencia), la heteroepitaxi de sic utilizando silicio como sustrato siempre da como resultado un crecimiento de 3c-sic con una densidad muy alta de defectos estructurales cristalográficos tales como fallas de apilamiento, microtubos y límites de dominio de inversión. se han empleado otros materiales de oblea de gran tamaño además de silicio (tales como zafiro, silicio sobre aislante y tic) como sustratos para el crecimiento heteroepitaxial de epicapas sic, pero las películas resultantes han sido de calidad comparablemente deficiente con densidades de defectos cristalográficos altas. el enfoque de 3c-sic-on-silicon más prometedor hasta la fecha que ha logrado la menor densidad de defectos cristalográficos implica el uso de sustratos de silicio ondulante. sin embargo, incluso con este enfoque altamente novedoso, las densidades de dislocación siguen siendo muy altas en comparación con el silicio y las obleas sic hexagonales a granel. mientras que algunos dispositivos y circuitos electrónicos semiconductores limitados se han implementado en 3c-sic cultivados en silicio, el rendimiento de estos componentes electrónicos (al momento de escribir este documento) puede resumirse como severamente limitado por la alta densidad de defectos cristalográficos al grado de que casi ninguno los beneficios operacionales discutidos en la sección 5.3 se han cumplido de manera viable. entre otros problemas, los defectos de cristal \"filtran\" la corriente parásita a través de las uniones del dispositivo con polarización inversa donde no se desea el flujo de corriente. Debido a que los defectos excesivos de los cristales conducen a deficiencias en los dispositivos eléctricos, todavía no existen productos electrónicos comerciales fabricados en 3c-sic cultivados en sustratos de área extensa. por lo tanto, 3c-sic crecido en silicio tiene actualmente más potencial como material mecánico en aplicaciones de sistemas microelectromecánicos (mems) (sección 5.6.5) en lugar de ser utilizado puramente como un semiconductor en la electrónica tradicional de transistores de estado sólido.
a fines de la década de 1970, tairov y tzvetkov establecieron los principios básicos de un proceso de crecimiento de sublimación modificado para el crecimiento de 6h-sic. este proceso, también conocido como el proceso de lely modificado, fue un avance para sic en que ofrecía la primera posibilidad de crecimiento reproducible de cristales individuales de sic aceptables y grandes que podían cortarse y pulirse en obleas sic producidas en masa. el proceso básico de crecimiento se basa en calentar material fuente sic policristalino a ~ 2400 ° c en condiciones, donde se sublima en la fase de vapor y luego se condensa en un cristal de semilla sic más frío. Esto produce una bola algo cilíndrica de sic de cristal único que crece más alto más o menos a razón de unos pocos milímetros por hora. hasta la fecha, la orientación preferida del crecimiento en el proceso de sublimación es tal que el crecimiento vertical de una bola cilíndrica más alta avanza a lo largo de la \u0026 lt; 0 0 0 1 \u0026 gt; dirección cristalográfica del eje c (es decir, dirección vertical en la figura 5.1). Las obleas circulares de \"eje c\" con superficies que son normales (es decir, perpendiculares a 10 °) con respecto al eje c pueden ser serradas desde la bola más o menos cilíndrica. después de años de mayor desarrollo del proceso de crecimiento de sublimación, cree, inc., se convirtió en la primera compañía en vender obleas semiconductoras de 2,5 cm de diámetro de 6h-sic orientadas al eje c en 1989. correspondientemente, la gran mayoría del desarrollo de electrónica de semiconductores sic y la comercialización ha tenido lugar desde 1990 utilizando obleas sic orientadas al eje c de los politipos de 6 hy 4 h-sic. Las obleas sic de tipo n, tipo p y semi-aislantes de diversos tamaños (actualmente tan grandes como de 7,6 cm de diámetro) ahora están disponibles comercialmente en una variedad de proveedores. vale la pena señalar que las conductividades de sustrato alcanzables para las obleas sic de tipo p son más de 10 veces menores que para los sustratos de tipo n, lo que se debe principalmente a la diferencia entre las energías de ionización dopante del donador y aceptora en sic (tabla 5.1). más recientemente, también se han comercializado obleas sic cultivadas con fuentes de gas en lugar de sublimación de fuentes sólidas o una combinación de gas y fuentes sólidas. El crecimiento de bolas y obleas sic orientadas a lo largo de otras direcciones cristalográficas, como orientaciones \"a-cara\", también se han investigado durante la última década. mientras que estas otras orientaciones de oblea sic ofrecen algunas diferencias interesantes en las propiedades del dispositivo en comparación con las obleas convencionales orientadas en el eje c (mencionadas brevemente en la sección 5.5.5), todas las piezas electrónicas sic comerciales producidas (al momento de escribir esto) se fabrican utilizando el eje c obleas orientadas. tamaño de la oblea, el costo y la calidad son todos muy críticos para ...
la mayoría de los dispositivos electrónicos sic no se fabrican directamente en obleas cultivadas por sublimación, sino que se fabrican en capas epicáxicas sic de mayor calidad que se cultivan en la parte superior de la oblea de crecimiento sublimación inicial. las epicapas sic bien desarrolladas tienen propiedades eléctricas superiores y son más controlables y reproducibles que el material de oblea sic crecido por sublimación a granel. por lo tanto, el crecimiento controlado de epilayers de alta calidad es muy importante en la realización de electrónica sic útil.
la mayoría de los dispositivos electrónicos sic no se fabrican directamente en obleas cultivadas por sublimación, sino que se fabrican en capas epicáxicas sic de mayor calidad que se cultivan en la parte superior de la oblea de crecimiento sublimación inicial. las epicapas sic bien crecidas tienen propiedades eléctricas superiores y son más controlables y reproducibles que el material de oblea sic crecido por sublimación a granel. por lo tanto, el crecimiento controlado de epilayers de alta calidad es muy importante en la realización de electrónica sic útil.
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