Слайд 1 - SEMICON Russia
advertisement
Год основания – 1886 1899г. – Электротехнический институт им. императора Александра III 1-й выборный директор – А.С.Попов – Первое в Европе специализированное учебное заведение электротехнического Лауреат Нобелевской премии профиля по физике – 2000 год академик Ж.И.Алферов, выпускник ЛЭТИ Е. Acheson О. Лосев 1893 г. – Acheson E.G.U.S. Patent №492767, Feb. 28, 1893 Метод Ачесона – получение абразивного материала 1907 г. – ROUND H.S. «A NOTE on carborundum», Electrotechnical Word 49, 308, 1907 Электролюминесценция карбида кремния 1922 г. – Лосев О. «Детектор-генератор, детектор-усилитель 1922, 14, 374 Первый патент на электролюминисцентный источник 1955 г. – Lely (Germany). Ber. Deut. Ceram. Gesellsh., 1955, 32,229 Выращивание монокристаллов полупроводникового карбида кремния методом сублимации (метод Лели) 1964 г. – Подольский химико-металлургический завод. Первое промышленное производство монокристаллов SiC в СССР 1976 г. – Таиров Ю.М. и Цветков В.Ф. Первая Европейская конференция по росту кристаллов. Цюрих, 1976, с.188 Метод выращивания объемных кристаллов карбида кремния (метод ЛЭТИ) 1982 г. – Подольский химико-металлургический завод Метод ЛЭТИ внедрен в промышленность 1987 г. – Производство приостановлено 1987 г. – Северная Каролина, США Создана фирма «Cree Research Inc.» 1991 г. – Фирма «Cree Research Inc.» начала коммерческое производство объемных монокристаллов SiC (по методу ЛЭТИ») 1955 Method “Lely” 1976 Method “LETI” (ETU) Разработка метода “ЛЭТИ” – переход к промышленной технологии создания приборов на карбиде кремния Доступность и экологичность исходных компонентов: неограниченность источников сырья, типовые процессы переработки и очистки сырья, низкая энергетическая и экологическая нагрузка на биосферу. Устойчивость к высоким температурам и химически-активным средам: эффективная диссоциация (сублимация) при Т>2000 ° С и пониженных давлениях, отсутствие плавления при нормальных давлениях (Тпл≈3000 °С при Р=35 атм), эффективное химическое травление в расплаве щелочей при Т=400°С и хлоросодержащих газах при Т≈1000 ° С. Доступность легирования и сложность получения материала с собственной электропроводностью: эффективный донор - азот и акцепторы - алюминий и бор, широкий диапазон уровней легирования донорами и акцепторами от 1015 до 1021 см-3, легкость вхождения неконтролируемых примесей (фон∼1015 см-3), низкие коэффициенты диффузии основных примесей (10-13-10-14 см2/с). Эффект нестехиометрии (SiC) при выращивании и энергетических воздействиях. Наличие собственных окисла (SiO2) и маски (С) Структурно-ориентированная селективность процессов роста, легирования, окисления: политипная избирательность, эффект полярности грани (0001) (кремниевая, углеродная), наличие изоструктурных изоэлектронных аналогов для гетероэпитаксии и синтеза твердых растворов (AlN,GaN). “Тепловая” – энергия сублимации (атомизации) >150ккал/моль “Лучевая” – устойчивость к оптическому воздействию: >104 Вт/см2 “Радиационная” – флюэнс нейтронов > 1015 нейтронов/см2 “Химическая” – травители: хлор, водород, хлористый водород (Т>900°С); расплавы щелочей (KOH, NaOH; T>400°С); “Механическая”: – твердость по Моосу 9,2 – 9,3; – модуль Юнга 400 ГПа Температура Дебая – 1200-1430 К (3С–6Н) Параметры 1.12 Si 1.43 GaAs П НП 2.27 GaP Свойства 3.3 3.44 5.48 6.20 SiC GaN C AlN НП НП П НП GaAs GaP SiC GaN C 400 520 640 710 950 1430 2200 GaAs GaP Si GaN AlN SiC C 0.54 1.1 1.3 1.5 3.2 4.9 20.0 GaAs GaP Si AlN SiC C 0.8 2.5 C Si GaN SiC AlN GaP GaAs 5.5 8.5 9.0 9.7 11.1 11.8 12.8 C AlN GaN SiC GaP Si GaAs Si Ширина запрещённой зоны , эВ Структура зон: П-прямозонный НП-непрямозонный полупроводник П AlN Температура Дебая, К 0.14 0.3 SiO2 Al2O3 0.6 SiO2 GaN 4.2 4.6/4.2 5.2/4.1 5.9 6.2 0.3 0.4 0.45 1.7 2.5 3.5 20.0 Si GaAs GaP AlN SiC GaN C 1.0 1.5 1.5 2.0 2.0 2.0 3.0 Si GaP AlN GaAs SiC GaN C 1400 600 2200 1600 10500 450 Si C GaAs 300 50 350 100 AlN GaP 1000 40 1000 350 SiC GaN Теплопроводность, Вт/смК 6.7/5.0 Коэффициент линейного расширения , х 10-6К-1 Al2O3 Диэлектрическая постоянная Критическая напряжённость электрического поля, МВ/см Скорость насыщения дрейфа носителей, х 107см/с Подвижность: электронов дырок См2/Вс Свойства сопрягающихся материалов (SiO2 и Al2O3) в системах межэлементной изоляции Материал Напряженность электрического поля пробоя Ec, В/см Дрейфовая подвижность электронов/дырок µn, µp, см2/В∙с Насыщенная скорость дрейфа Vs, см/с Теплопроводность, Вт/см∙К Максимальное напряжение Um, В dU/dtmax, кВ/нс Сопротивление нагрузки при максимальной переключаемой мощности, Ом Примечание Si GaAs 4H-SiC 3∙105 4 ∙105 2,5∙10 6 1450/450 8500/400 950/115 107 2∙107 2∙107 1,3 0,54 5 150 200 2500 Um = (EmW)/2 0,9 2,4 15 dU/dtmax= 0,3 ∙Vs∙ Ec 0,1 0,1 0,1 dU/dtmax – универсальный параметр полупроводникового материала размыкающего ключа Базовые конструктивнотехнологические элементы Особенности и проблемы Принципиальные ограничения Кристаллы-подложки Высокотемпературные процессы роста Достижение требуемых электрофизических параметров размеры подложек; стоимость подложек; низкоомность; высокоомность Эпитаксиальные структуры Предэпитаксиальныая подготовка Высокотемпературность процессов стоимость эпитаксиальных структур; эпитаксиальные структуры большой толщины Легирование Высокотемпературность диффузии Высокие значения энергии при ионной имплантации Высокотемпературность процессов отжига после имплантации недостаточное качество легированного материала для силовых приборов; специализированное оборудование для отжига Окисление Граница раздела «SiC – диоксид Si» (наличие углерода, плотность состояний) высокая плотность состояний Травление Высокотемпературность жидкостного травления; Экстремальные режимы «сухого» травления сложность реализации структур с большим аспектным отношением Металлизация, контакты Высокие плотности тока Локальное энерговыделение Высокие температуры Физико-химическая и электрическая деградация экстремальные режимы и условия эксплуатации Изоляция, защита Высокие напряжения Высокие температуры Физико-химическая и электрическая деградация экстремальные режимы и условия эксплуатации Корпусирование Высокие плотности тока и напряжения Высокие температуры Моделирование Модели приборов при экстремальных режимах работы (уровни инжекции, напряженности полей, температура) электрическая прочность; тепловое сопротивление; химическая стойкость База данных электрофизических параметров в экстремальных режимах Силовые приборы на карбиде кремния ДИОДЫ Униполярные КЛЮЧИ Униполярные Биполярные Schottky JBS или MPS PiN < 1,7kV <3,3kV <20 kV MOSFET Биполярные JFET Thyristor BJT IGBT < 5,0kV < 4,0kV < 15kV СВЧ приборы на карбиде кремния ДИОДЫ ТРАНЗИСТОРЫ PiN ДДРВ (p-база) Автоэмиссионные вакуумные SIT/JFET MESFET BJT <40 ГГц <10 ГГц <300 ГГц <3 ГГц <20 ГГц <10 ГГц “Толстые” эпитаксиальные слои (силовая электроника) d>100мкм Высокочистые эпитаксиальные слои (силовая электроника, фотоника) Эпитаксиальные слои политипа 3С (СВЧ электроника, фотоника) Гетероструктуры SiC/Si (микросистемная техника) Гетероструктуры SiC/Me3N (СВЧ электроника, оптоэлектроника) Графен на поверхности SiC (R&D) Получение подложек SiC из жидкой фазы (снижение стоимости) Получение монокристаллов 3C-SiC (СВЧ-электроника) µ>1000см2/Вс Получение высокоомных изолирующих подложек ρ>108 Ом⋅см (СВЧ электроника) 3D микроструктуры с высоким аспектным отношением (микромеханика) Упорядоченные массивы 3Dмикрои наноразмерных монокристаллов (автоэмиссионная электроника, фотоника) ПРОБЛЕМЫ: Большая площадь подложки ∅ 6’’ (150 мм) Стоимость > 1000 $ Дефектность: дислокации < 103 см-2, поры < 1 см-2 Политипизм – 6H, 4H, 3C Высокоомность – > 108 Ом⋅см Низкоомность - < 10-3 Ом⋅см Диаметр…………..76.2 mm Толщина…………..0,35-0,75 mm Ориентация…. <1120> 8о от (0001) Политип………………………4H Политипная однородность до 100% Проводимость …N-тип (азот) MPD…….0-5 см-2 EPD……5*103..5*104 см-2 Двусторонняя полировка " ÊÈÍÅÒÈ×ÅÑÊÀß" Ïîòîê "ÎÐÈÅÍÒÀÖÈÎÍÍÀß" ïàðà SiC 6Í Ýêðàí 4Í 6Í Ïîäëîæêà ïîëèòèïà 6Í 6Í 4Í Транспортный газ: Н2, Реакционные газы: SiH4, С3Н8 Температура подложки: 1100 – 1700˚С; Скорость потока C3H8: 40 - 150 мл/мин; Скорость потока SiH4: 25 – 400 мл/мин; Скорость потока Н2: 2 – 16 л/мин. Давление в реакторе в процессе осаждения:1атм. 21 Температура карбидизация 1300oC рост 1390oC травление 1000oC Время 22 Несовпадение периодов решетки Si и SiC приблизительно 20%, Различие температурных коэффициентов линейного расширения ~8% Эпитаксиальный слой 3C-SiC, 0,5 – 3 μm Буферный слой 3C-SiC, 15 – 20 nm Слой нанопористого кремния, 50 - 120 nm Кремниевые подложки p-, n- type (100) Характеристики слоя 3C-SiC Концентрация дрок: 5·1017 – 1·1018 сm-3; Подвижность электронов: μ =145 – 280 сm2/Vс; Удельное сопротивление: ρv = 10-3 Оhm·сm Т осаждения – 950-1050°С, скорость роста – 1мкм/час SiC – монокристалл, текстура; AlN – текстура, поликристалл ИК Фурье-спектроскопия а б AlN: а – 2H, б – 15R размер чипа 1.7 × 1.7 мм размер Al контакта 1.2 × 1.2 мм Программные средства – TCAD Silvaco Ron = 2.2 Ом 1А-3В прямой ток 1 А обратное напряжение 300 В Qrr = 0.9 нКл 3.3 кВ Реактивное ионно-плазменное травление SiC проводится на установках с ICP реактором при использовании газов: SF6, CF4, CHF3 . Для осуществления глубокого травления SiC (более 5 мкм) применяются никелевые и алюминиевые маски, т.к. эти металлы могут обеспечивать селективность травления 5-100 в зависимости от режима РИПТ. Для получения рельефа до 5 мкм обычно применяют маску на основе SiO2 Диодная меза-структура высотой 30 мкм, полученная с использованием никелевой маски SiC-электростатический привод движения, шаг 10 мкм, зазор 0,8мкм Композиции 3D упорядоченных наноострий на основе структур SiC/Si, SiC/SiC; SiC/Me3 N/Al2O3(W): базовая толщина структуры - 300 мкм; диаметр острий - от 100 до 40 нм; плотность 3D острий - не менее 106 мм -2. Твердотельные автоэмиссионные вакуумные Твердотельные полупроводниковые Субнаносекундные импульсные Высоковольтные Сильноточные Сверхвысокочастотные Радиационностойкие Температуростойкие Дрейфовая скорость насыщения Критическая напряженность электрического поля Работа выхода электрона Концентарция электронов Коэффициент распыления SiC Твердотельные автоэмиссионные полупроводниковые Твердотельные микромеханические Электромагнитостойкие Минимально энергопотребляющие Идеальные коммутаторы СВЧ энергии Низковольтные Безвакуумные Высокочастотные Теплопроводность Модуль Юнга Сродство к электрону (-) GaAlN SiC Si-ДДРВ1 Эксперимент2 4H-SiC-ДДРВ Моделирование Эксперимент Моделирование ESUPPLY, мкДж 558 556 73 70 EMOSFET, мкДж - 305 51,4 41 EDSRD, мкДж - 49 3,7 16 ELOAD, мкДж 155 200 21,9 18,4 EMOSFET/ESUPPLY, % - 55 70 58 EDSRD/ESUPPLY, % - 9 5 23 28 36 31 26 ELOAD/ESUPPLY (КПД), % 1По данным статьи Lev M. Merensky, Alexei F. Kardo-Sysoev, Doron Shmilovitz, and Amit S. Kesar. “Efficiency study of a 2.2-kV, 1-ns, 1-MHz pulsed power generator based on a drift-step-recovery diode”. IEEE Transactions on plasma science. 2013. Интегральная плотность тока >102 А/см2 Поверхностная плотность автоэмиссионных острий – 107…108 см-2 ВАХ вакуумного автоэмиссионного SiC-диода Высокое значение модуля Юнга и относительно низкая массовая плотность → повышенная виброустойчивость и высокая резонансная частота Высокая теплопроводность → коммутация больших плотностей высокочастотного излучения Широкий температурный диапазон эксплуатации рабочего элемента без деградации механических свойств Диод Шоттки MSM Экстремальные условия: B, C UV-диапазоны; Температура -50… +250 °C; Флюенс нейтронов 1014 нейтр/см2 1 SiC sensitivity, a.u. 0,8 solar radiation 0,6 AlN 0,4 0,2 0 200 250 300 350 400 wavelength, nm 450 500 SiC Pt/W Si3N4 Топология Функционирующий чип I/Imax 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0 2 4 6 8 λ, µm - Быстродействие < 15 мс - Температура рабочей области > 800 0C - Потребляемая мощность < 500 мВ - Высокая стабильность Давление Трансдьюсер 250 °C Экстремальные условия: • T > 400 °C • Флюенс нейтронов > 1015 n/cm2 Температура Рабочие температуры – более 400 °С Плотность тока – >104 А/см2 Коммутируемые напряжения – > 3 кВ (чип) Генерируемая мощность (импульсная) – до 1 МВт/чип (∆τ < 1 нс, 2×2 мм) Длительность импульса – менее 500 пс (V>2 кB) Скорость нарастания импульса – > 10 В/пс Рабочая частота – > 100 ГГц (вакуумная электроника) Глубокий ультрафиолет – до 0,2 мкм Скорость распространения акустических волн – 7- 8 км/с Коэффициент затухания звука – 3 дБ/см на f=1ГГц Высокочастотные – до 20 ГГц Мощные – более 50 Вт Высокотемпературные – > 400 °C Радиационно-стойкие – >1015 нейтр/см2 Мощные (импульсные) – до 1,0 МВт/чип Высоковольтные – до 1,7кВ, до 3,3кВ, до 20кВ Сильноточные – j>103 A/cm2 Импульсные – < 1 нс ДИОДЫ: o PiN o SRD o Вакуумные диоды ДИОДЫ: o SBD o JBS o PiN o p+nn+, p+pn+ (DSRD) ТРАНЗИСТОРЫ: SIT MESFET Вакуумные триоды Подложки для мощных СВЧ транзисторов (SiC-GaN) ТРАНЗИСТОРЫ: MOSFET JFET IGBT BJT ТИРИСТОРЫ Высокотемпературные – > 600 °C Радиационно-стойкие – >5⋅1015 нейтр/см2 Высоконадежные Ультрафиолетовые – до 190нм, 0,2 А/Вт (290 нм) Мощные – 160 лм/Вт Высокостабильные Фотоприемники “глубокого” УФ Микроизлучатели ИК (глобары) Датчики высокоэнергетических частиц Подложки SiC для мощных светодиодов GaN Датчики давления, потока, температуры Акселерометры, гироскопы Микромеханические ключи Актюаторы (термо) МАССА И ГАБАРИТЫ Отказ от специальных принудительных систем охлаждения., использование для охлаждения рабочих жидкостей (масло, топливо). Уменьшение площади сечения проводников за счет повышения рабочих напряжений и уменьшения плотности тока. Отказ от громоздких гидро- и пневмоприводов. ЭНЕРГЕТИКА Повышение КПД передачи и преобразование энергии за счет использования высоких напряжений. Повышение экономичности работы энергетических установок (турбина, дизель, реактор) за счет локальных встроенных систем контроля. Обеспечение возможности перераспределения энергии при переходе на локальные электрические приводы. НАДЕЖНОСТЬ Использование высоконадежной элементной базы. Использование высокоэффективных локальных систем контроля движетелей, приводов, корпуса, оружия. Переход к локальных исполнительным электрическим устройствам, сокращение количества гидравлических и пневматических исполнительных механизов. РЕМОНТОПРИГОДНОСТЬ Уменьшение числа разнородных исполнительных систем (гидравлических, пневматических, механических). Ликвидация ряда сквозных магистралей в исполнительных системах и средствах энергообеспечения, переход к распределенной архитектуре. КЛИМАТИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ Использование высотемпературной элементной базы. Использование основных рабочих жидкостей (масло, топливо) в системах охлаждения электронных блоков. РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ Использование радиационностойкой элементной базы. Эксплуатация элементной базы при повышенных температурах (самоотжиг радиационных дефектов). ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ Использование элементной базы на основе широкозонных полупроводников, сочетающий электрические и оптические способы обработки, передачи и хранения информации.
