2020-03-17
2020-03-09
a temperatura ambiente, no se conocen productos químicos húmedos convencionales que graban sic monocristalino. más El grabado modelado de sic para dispositivos electrónicos y circuitos se logra usando técnicas de grabado en seco. el lector debe consultar las referencias 122-124 que contienen resúmenes de resultados secos de grabado sic obtenido hasta la fecha. el proceso más comúnmente empleado implica el grabado iónico reactivo (rie) de sic en plasmas fluorados. Las máscaras de grabado sacrificatorio (como el aluminio metálico) se depositan y fotolitograficamente modelado para proteger las áreas deseadas de ser grabado. el proceso sic rie puede ser implementado utilizando hardware estándar de silicio y tasas típicas de grabado de 4h y 6h del orden de cientos de angstroms por minuto. Los procesos sic-rios bien optimizados son típicamente altamente anisotrópicos con poco socavado de la máscara de grabado, dejando superficies lisas. una de las claves para lograr superficies lisas está evitando el \"micromecanismo\", en el que el material de enmascaramiento se graba ligeramente y se vuelve a depositar al azar sobre la muestra enmascarando efectivamente áreas muy pequeñas en la muestra que estaban destinadas para uniforme aguafuerte. esto puede dar lugar a que se formen características de residuo de etileno de tipo \"hierba\" en las regiones sin máscara, que es indeseable en la mayoría de los casos. mientras que las tasas de rie etch son suficientes para muchas aplicaciones electrónicas, las tasas de grabado sic son mucho más altas necesario para tallar características del orden de decenas a cientos de micrómetros de profundidad que se necesitan para realizar Sensores avanzados, mems y orificios pasantes útiles para dispositivos sic rf. secado en seco de plasma de alta densidad técnicas como la resonancia ciclotrónica de electrones y plasma acoplado inductivamente han sido desarrollado para satisfacer la necesidad de un grabado profundo de sic. marcas de grabado modeladas libres de residuos superiores a mil angstroms por minuto han sido demostrados. También se ha demostrado el grabado modelado de sic a tasas de ataque muy altas usando foto asistida y grabado húmedo electroquímico oscuro. eligiendo las condiciones adecuadas de grabado, esta técnica ha demostrado una capacidad de paro de grabado selectivo de dopantes muy útil. sin embargo, hay incompatibilidades importantes de proceso electroquímico que lo hace indeseable para la producción masiva de vlsi, incluyendo preparación de muestras previa y posterior a la grabación, isotropía de grabado y socavación de la máscara, y algo grabado no uniforme a través de la muestra. las técnicas de grabado con láser son capaces de grabar características grandes, tal como a través de orificios pasantes de oblea útiles para chips rf.
la gran mayoría de los chips integrados de semiconductores en uso hoy en día se basan en óxido de metal de silicio transistores semiconductores de efecto de campo (mosfets), cuyas ventajas electrónicas y funcionamiento la física de los dispositivos se resume en el capítulo de katsumata y en otros lugares. dado el extremo utilidad y éxito de los circuitos inversos basados en mosfet electrónica en silicio vlsi (así como dispositivos discretos de potencia de silicio), es naturalmente deseable implementar la inversión de alto rendimiento canal mosfets en sic. como el silicio, sic forma una térmica cuando se calienta lo suficiente en un ambiente de oxígeno mientras que esto permite que la tecnología sic mos siga de alguna manera el altamente exitoso camino de la tecnología de silicio mos, sin embargo, hay diferencias importantes en la calidad del aislante y procesamiento de dispositivos que actualmente están impidiendo que sic mosfets se den cuenta de sus beneficios potencial. mientras que el siguiente discurso intenta resaltar rápidamente los problemas clave que enfrenta sic mosfet desarrollo, se pueden encontrar ideas más detalladas en las referencias 133-142. desde un punto de vista puramente eléctrico, hay dos deficiencias operativas principales de óxidos sic y mosfets en comparación con mosfets de silicio. primero, movilidades efectivas del canal de inversión en la mayoría de los mosfets sic son más bajos de lo que cabría esperar en base a las movilidades del transportador mosfet del canal de inversión de silicio. esto reduce seriamente la ganancia del transistor y la capacidad de corriente de los mosfets sic, de modo que sic Los mosfets no son tan ventajosos como se predijo teóricamente. segundo, los óxidos sic no han demostrado tan confiables e inmutables como los óxidos de silicio bien desarrollados, ya que los sic mosfets son más propensos a cambios de voltaje de umbral, fuga de puerta y fallas de óxido que mosfets de silicio comparativamente sesgados. en En particular, las deficiencias de rendimiento eléctrico del óxido de mosfet sic se atribuyen a las diferencias entre calidad de silicio y óxido térmico sic y estructura de interfaz que causa que el óxido sic muestre indeseablemente niveles más altos de densidades de estado de interfaz ( ), cargas de óxido fijas ( ), atrapamiento de carga, túnel de óxido portador y movilidad reducida de los portadores de canal de inversión. al resaltar las dificultades que enfrenta el desarrollo de sic mosfet, es importante tener en cuenta que Los primeros mosfets de silicio también enfrentaron desafíos de desarrollo que requirieron muchos años de investigación dedicada esfuerzos para superar con éxito. de hecho, enormes mejoras en el rendimiento del dispositivo 4h-sic mos se han logrado en los últimos años, dando esperanza de que los beneficiosos dispositivos 4h-sic power mosfet para la operación a temperaturas ambiente de hasta 125 ° C podría comercializarse en los próximos años. por ejemplo, la movilida...
Los dispositivos y semiconductores sic de ambiente hostil son de poca utilidad si no se pueden empaquetar y conectar de manera confiable para formar un sistema completo capaz de operar en entornos hostiles. con la selección adecuada del material, las modificaciones de las tecnologías existentes de empaquetado ic parecen factibles para el empaquetado de circuitos sin energía hasta 300 ° c. El trabajo reciente está comenzando a abordar las necesidades de las aplicaciones electrónicas aeroespaciales más exigentes, cuyos requisitos incluyen la operación en entornos de alta volatilidad 500-600 ° c oxidante-ambiente, a veces con muy alta potencia. por ejemplo, se han demostrado algunos prototipos de paquetes electrónicos y tarjetas de circuitos que pueden resistir más de mil horas a 500 ° c. los componentes pasivos de ambiente severo, como inductores, condensadores y transformadores, también deben desarrollarse para funcionar en condiciones exigentes antes de que los beneficios de nivel completo del sistema de electrónica sic discutidos en la sección 5.3 se puedan realizar con éxito.
esta sección resume brevemente una variedad de diseños de dispositivos electrónicos sic desglosados por áreas de aplicación principales. El proceso sic y los problemas de tecnología de materiales que limitan las capacidades de varias topologías de dispositivos sic se destacan como cuestiones clave que se abordarán en la maduración adicional de la tecnología sic. a lo largo de esta sección, debe ser evidente para el lector que el desafío general más difícil que impide que la electrónica sic alcance plenamente las capacidades beneficiosas está alcanzando una alta confiabilidad operacional a largo plazo, mientras opera en regímenes de temperatura y densidad de potencia no alcanzados previamente. debido a que muchas limitaciones de confiabilidad del dispositivo se pueden rastrear a material fundamental y problemas de unión / interfaz ya mencionados en las secciones 5.4 y 5.5, los esfuerzos para habilitar la electrónica sic útil (es decir, confiable) deberían centrarse en mejoras a estas áreas fundamentales.
el ancho de banda de sic es útil para realizar optoelectrónica de onda corta azul y ultravioleta (uv). Los diodos emisores de luz (diodos) de unión pn basados en 6h-sic fueron los primeros dispositivos semiconductores para cubrir la porción azul del espectro de color visible, y se convirtieron en los primeros dispositivos basados en sic para alcanzar Ventas comerciales de alto volumen. porque el bandgap de sic es indirecto (es decir, el mínimo de conducción) y el máximo de la banda de valencia no coincide en el espacio de momento de cristal), recombinación luminiscente es intrínsecamente ineficiente. por lo tanto, los leds basados en cruces sic pn se volvieron bastante obsoletos por la aparición de iii-nitruro de grupo directo de banda prohibida mucho más brillante, mucho más eficiente (iii-n tal como gan e ingan) leds azules. sin embargo, las obleas sic todavía se emplean como uno de los sustratos (junto con el zafiro) para el crecimiento de las capas iii-n utilizadas en la fabricación de grandes volúmenes de verde y azul leds basados en nitruro. sic ha demostrado ser mucho más eficiente en la absorción de luz de onda corta, lo que ha permitido realización de fotodiodos sic uv-sensitive que sirven como excelentes sensores de llama en motores de turbina monitoreo y control de la combustión el ancho de banda de 6h-sic es útil para realizar corrientes oscuras de bajo fotodiodo, así como sensores que son ciegos a longitudes de onda infrarrojas cercanas no deseadas producido por calor y radiación solar. sensores de llama uv comerciales basados en sic, una vez más basados epitaxialmente Los diodos de unión pn 6h-sic, aislados en mesa y de secado seco, han reducido con éxito la contaminación nociva emisiones de turbinas de gas alimentadas a tierra usadas en sistemas de generación de energía eléctrica. el las bajas corrientes oscuras de los diodos sic también son útiles para la detección de rayos X, iones pesados y neutrones en monitoreo del reactor y estudios científicos mejorados de colisiones de partículas de alta energía y cósmica radiación.
el uso principal de los dispositivos sic rf parece estar en la amplificación de alta potencia de estado sólido de alta frecuencia en frecuencias de alrededor de 600 mhz (uhf-band) a tal vez tan alto como unos pocos gigahertz (banda-x). como se discute con mucho más detalle en las referencias 5, 6, 25, 26, 159 y en otros lugares, el alto voltaje de ruptura y la alta conductividad térmica junto con la alta velocidad de saturación del portador permiten a los transistores sic rf manejar densidades de potencia mucho más altas que sus silicios Contrapartes del rf, a pesar de la desventaja de sic en la movilidad del operador de campo bajo (tabla 5.1). la conductividad térmica más alta de sic también es crucial para minimizar el autocalentamiento del canal, de modo que la dispersión del phonon no degrade gravemente la velocidad del portador. Estos argumentos de ventaja de rf materiales se aplican a una variedad de diferentes estructuras de transistores, tales como mesetas y transistores de inducción estáticos (se sienta) y otros semiconductores de banda amplia (como el grupo iii-nitruros) además de sic. La alta densidad de potencia de los transistores de banda amplia demostrará ser bastante útil para realizar aplicaciones de transmisores de estado sólido, donde una mayor potencia con menor tamaño y masa son cruciales. menos transistores capaces de operar a temperaturas más altas reducen los requisitos de adaptación y enfriamiento, lo que reduce el tamaño general y el costo de estos sistemas. Los mesetas de rf de alta frecuencia basados en sic están ahora disponibles comercialmente. sin embargo, es importante señalar que esto ocurrió después de años de investigación fundamental rastreada y eliminó la escasa confiabilidad debido a los efectos de atrapamiento de carga que surgen de sustratos semi-aislantes inmaduros, epilayers de dispositivos y pasivación superficial. un avance material clave que permitió una operación confiable fue el desarrollo de sustratos semi-aislantes sic de \"alta pureza\" (necesarios para minimizar las capacidades del dispositivo parásito) con mucho menos captura de carga inducida que las obleas sic semi-aislantes dopadas con vanadio previamente desarrolladas. Los dispositivos de mesfet sic fabricados en sustratos semiaislados son posiblemente menos susceptibles. a las consecuencias adversas del rendimiento que surgen de las micropicas que los dispositivos de conmutación de alta potencia verticales, principalmente porque una micropipeta del eje c ya no puede acortar dos lados conductores de una unión de campo alto en la mayoría de las áreas de la estructura de mesfet del canal lateral. Los diodos mezcladores sic también muestran una excelente promesa para reducir la interferencia de intermodulación no deseada en los receptores RF. Se demostró una mejora en el rango dinámico de más de 20 db utilizando mezcladores de diodos schottky sic no optimizados. tras un mayor desarrollo y optimización, los mezcladores basados en sic debería...
la mayoría de los circuitos de acondicionamiento de señal analógica y lógica digital se consideran \"nivel de señal\" en los transistores individuales en estos circuitos normalmente no se requieren más de unos pocos miliamperios de corriente y \u0026 lt; 20 v para funcionar correctamente. los circuitos de silicio sobre aislante comercialmente disponibles pueden realizar complejas funciones de nivel de señal digital y analógica hasta 300 ° c cuando no se requiere una salida de alta potencia [163]. además de ics en el cual es ventajoso combinar señales funciones de nivel con meios / sensores sic de alta potencia o únicos en un solo chip, circuitos sic más caros únicamente realizar funciones de nivel de señal de baja potencia parece en gran medida injustificable para aplicaciones de baja radiación a temperaturas debajo de 250-300 ° c. a partir de este escrito, no hay transistores semiconductores disponibles comercialmente o circuitos integrados (sic o de otro tipo) para uso en temperaturas ambiente superiores a 300 ° c. a pesar de que los prototipos de laboratorio de alta temperatura basados en sic tienen mejoró significativamente en la última década, lograr la confiabilidad operacional a largo plazo sigue siendo el principal desafío de Realizando dispositivos y circuitos útiles de 300-600 ° c. tecnologías de circuitos que se han utilizado para implementar con éxito vlsi los circuitos en silicio y gaas como cmos, ecl, bicmos, dcfl, etc., son en diferentes grados candidatos para t \u0026 gt; 300 ° c sic- circuitos integrados. la fiabilidad del aislante de compuertas a alta temperatura (sección 5.5.5) es fundamental para la realización exitosa de los circuitos integrados basados en mosfet. La fuga del diodo schottky puerta a canal limita la temperatura máxima de funcionamiento de los circuitos de mesfet sic a alrededor de 400 ° c (sección 5.5.3.2). por lo tanto, los dispositivos basados en uniones pn, como los transistores de unión bipolar (bjts) y los transistores de efecto de campo de unión (jfets), parecen ser tecnologías candidatas más fuertes (al menos a corto plazo) para lograr una operación de larga duración en 300-600 ° c ambientes. Debido a que los circuitos de nivel de señal funcionan en campos eléctricos relativamente bajos muy por debajo del voltaje de falla eléctrica de la mayoría de las dislocaciones, las micropipetas y otras dislocaciones afectan los rendimientos del proceso del circuito de señalización en mucho menor grado que los rendimientos de los dispositivos de alta potencia. a la fecha de este escrito, se han demostrado en el laboratorio algunos transistores discretos y prototipos a pequeña escala y amplificadores analógicos basados en las variaciones de las topologías de los dispositivos nmos, cmos, jfet y mesfet. sin embargo, ninguno de estos prototipos son comercialmente viables a la fecha de este escrito, en gran parte debido a su incapacidad de ofrecer una operación de duración prolongada eléctricamente estable a tem...
las propiedades materiales inherentes y la física básica detrás de los grandes beneficios teóricos de sic sobre silicio para dispositivos de conmutación de potencia se discutieron en la sección 5.3.2. de manera similar, se discutió en la sección 5.4.5 que los defectos cristalográficos encontrados en obleas sic y epilayers son actualmente un factor primario que limita la comercialización de dispositivos de conmutación de alta potencia sic útiles. esta sección se centra en los aspectos de desarrollo adicionales de los rectificadores de potencia sic y las tecnologías de transistores de conmutación de potencia. la mayoría de los prototipos de dispositivos de potencia sic emplean topologías y características similares a sus contrapartes basadas en silicio tales como flujo vertical de alta corriente a través del sustrato para maximizar la corriente del dispositivo usando un área mínima de oblea (es decir, maximizar la densidad de corriente). a diferencia del silicio, sin embargo, la conductividad relativamente baja de los sustratos sic de tipo p actuales (sección 5.4.3) dicta que todas las estructuras de dispositivos de potencia sic verticales se implementen usando sustratos tipo n para lograr densidades de corriente vertical beneficiosamente altas . muchas de las compensaciones de diseño de dispositivos son aproximadamente paralelas a las conocidas compensaciones de dispositivos de potencia de silicio, excepto por el hecho de que los números de densidades de corriente, voltajes, densidades de potencia y velocidades de conmutación son mucho más altos en sic. para que los dispositivos de potencia funcionen con éxito a altos voltajes, debe evitarse la rotura periférica debida al apiñamiento del campo eléctrico relacionado con los bordes mediante un diseño cuidadoso del dispositivo y una elección adecuada de los materiales dieléctricos aislantes / pasivantes. el voltaje pico de muchos prototipos de dispositivos sic de alto voltaje a menudo ha estado limitado por una falla destructiva relacionada con los bordes, especialmente en dispositivos sic capaces de bloquear múltiples kilovoltios. Además, la mayoría de las pruebas de muchos prototipos de dispositivos multikilovoltios han requerido que el dispositivo se sumerja en fluidos especializados de alta resistencia dieléctrica o atmósferas de gas para minimizar el daño del arco eléctrico y la descarga disruptiva de la superficie en las periferias del dispositivo. una variedad de metodologías de terminación de borde, muchas de las cuales fueron originalmente desarrolladas en dispositivos de alto voltaje de silicio, se han aplicado a prototipos de dispositivos de potencia sic con diversos grados de éxito, que incluyen dopantes adaptados y anillos de protección metálicos. los voltajes más altos y los campos eléctricos locales más altos de los dispositivos de energía sic pondrán mayores tensiones en el empaquetado y en los materiales aislantes de obleas, por lo que algunos de los materiales utilizados para aislar...
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