Диоды и транзисторы на основе SiC и GaN. гр. 9802 Попов А.П

стабильность электрических характеристик при изменении температуры и отсутствие дрейфа параметров во времени.

наличие собственной (из того же материала) подложки большого размера Казалось бы, куда более сложный технологический процесс получения карбида кремния делает из него пускай и хороший, но все же дорогой материал для производства полупроводниковой электроники, но его великолепные характеристики позволяют ему избавиться от большой, по сравнению с самим компонентом, упаковки, защищающей компонент от внешних воздействий. А

высокая теплопроводность позволяет во многих случаях избавить от необходимости добавлять в электронный прибор отдельное охлаждение. В

итоге во многих областях применения карбид кремния не только эффективнее кремния, но еще и дешевле его.

Таблица 1. Сравнение характеристик некоторых полупроводниковых

материалов.

Для GaN нет подложек из того же материала. Эпитаксиальные слои выращиваются из подложек сапфира и того же карбида кремния методом гетероэпитаксии. В результате плотность дислокаций пленок получается

высокой. Дислокации в GaN расположены перпендикулярно и собираются в

21

кластеры. Выращиваемый слой имеет ячеистую (зернистую) структуру, что приводит к увеличению токов утечки p-n структур и их деградации с течением времени. Все это затрудняет создание высоковольтных приборов на GaN. Да и по остальным характеристикам GaN не сильно превосходит SiC. А низкое время жизни носителей заряда и худшая теплопроводность вовсе делает SiC

более перспективным материалом для создания электронных приборов.

Но на основе гетеропереходов GaN/AlGaN есть возможность создания,

так называемых HEMT (High Electron Mobility Transistor/транзистор с высокой подвижностью электронов) транзисторов, превосходящих по параметрам транзисторы на основе объемного SiC. Поэтому сейчас трудно сказать какой из материалов выйдет в лидеры. Возможно, это будет их комбинация, так как лучшие HEMT транзисторы на основе GaN/AlGaN выражены на подложке из

SiC.

4.3.Диоды на основе SiC и GaN.

Карбид кремния – материал с потрясающими характеристиками, но почему его применение началось только недавно? В середине 90-х казалось, что первым промышленно выпускаемым SiC-прибором будет выпрямительный диод. Высокие рабочие температуры, низкий ток утечки, большое быстродействие – все это обещало существенную экономию при замене SiC

диодов кремниевыми.

Однако оказалось, что характеристики SiC диодов ухудшаются с течением времени и выражаются в увеличении токов утечки, снижении пробивного напряжения и увеличении прямого сопротивления. Исследования показали, что причина деградации – образование в пленках 4H- и 6H – SiC

прослоек кубического SiC при протекании прямого тока. Это обусловлено тем,

что энергия выделяемая при безызлучательной электронно-дырочной пары в

SiC достаточна для преодоления атомом барьера, препятствующего его смещению в другое положение. Зародышем таких дефектов являются дислокации в объеме эпитаксиального слоя или на границе слой-подложка. Под

22

действием прямого тока размеры дефектов быстро увеличиваются параллельно кристаллической оси углерода и при достижении границы p-n перехода наступает полная деградация прибора.

Первым промышленно выпускаемым прибором на основе SiC были светодиоды. При этом одна и та же технология изготовления светодиодов на основе разных политипов позволяла получить максимум излучения при различных значениях энергии. В определенной степени спектральное положение максимума зависело от легирования. Так, легирование 6H-SiC

бором позволяло получить желтый цвет электролюминесценции. Собственный структурный дефект – зеленый и так далее. По мере совершенствования качества и чистоты материала остался только синий пик люминесценции, и в

80-е годы основанное внимание уделялось созданию синих SiC диодов.

Интенсивность была слабой, но других светодиодов такого свечения не было.

После разработки технологии p-n структур на GaN и появления светодиодов и лазеров на их основе нитрид галлия оказался вне конкуренции по оптоэлектронным устройствам. Единственными оптоэлектронными приборами на основе SiC остались УФ-фотодетекторы. Благодаря большой ширине запрещенной зоны SiC почти не фоточувствителен в видимой области спектра и к тому же практически не деградирует с течением времени.

Проблема образования кубических дефектов не коснулась диодов Шоттки и полевых транзисторов, поскольку в них отсутствует электронно-

дырочная рекомбинация. В итоге вторым промышленно выпускаемым прибором оказался диод Шоттки. Но созданию достаточно мощных проборов этого типа помешали дефекты, в этот раз подложки. В первую очередь присутствие в подложках так называемых «микротрубок». От их плотности зависело качество прибора и до создания качественных подложек создание качественных приборов было невозможно.

На сегодняшний день аналогов высоковольтным диодам Шоттки из карбида кремния просто нет. Наибольших успехов в этом достигла Американская компания, занимающаяся выпуском преимущественно силовой

23

электроники, “Cree”. Рассмотрим один из продуктов, C3D04060E, диод Шоттки. В корпусе TO-252-2 помещается барьер Шоттки с напряжением пробоя 600 вольт, средним прямым током 13,5A, с током утечки 50 мкА при

600В и рабочими температурами от -55 до + 175 oC. И это – коммерчески доступный продукт, выпускаемый промышленно с 2009 года. На данный момент существуют экспериментальные диоды с напряжениями выше 1200 В и силой тока выше 150 A.

В общем, светодиоды на основе нитрида галлия полностью забрали себе нишу оптоэлектроники у карбида кремния, а карбид кремния применяется для производства, в основном, силовых диодов Шоттки. Улучшение качества подложек и устранение кубических дефектов позволит расширить номенклатуру диодов из карбида кремния в будущем.

24

Рисунок 10. График зависимости тока утечки IR при обратном напряжении

VR для температур корпуса TJ у диода Шоттки C3D04060E.

25

4.4.Транзисторы на основе SiC и GaN.

Ссерийным производством силовых транзисторов на основе SiC обстоит хуже, чем с диодами и другими компонентами. На данный момент с начала

2000 годов, то есть, с начала производства транзисторов на основе SiC,

промышленные транзисторы прошли три поколения, и только сейчас переходят в эпоху четвертого поколения. Основной проблемой силовых транзисторов на основе SiC является высокое напряжение драйвера, то есть передачи управляющего сигнала на контакт Базы или «Gate» для мосфета.

Это создает необходимость использования сложных блоков питания для таких транзисторов и что еще хуже – требует создания драйвера к ним,

устройства управляющего сигналом транзистора. Этот драйвер, как правило,

оказывается дороже самого транзистора. Третье поколение находится на напряжении управляющего сигнала порядка -5v +25V для закрытия и открытия. Четвертое, по некоторым заявлениям, которые возможно лишь являются громкой рекламой, 0V и +12V для закрытия и открытия соответственно. Все это приводит к тому, что легче собрать подходящую схему из кремниевых транзисторов, чем использовать транзисторы на карбиде кремния в силовой электронике.

Силовые транзисторы на Нитриде Галлия имеют диапазон рекомендуемых напряжений драйвера от 0 до 6 вольт, но сложность изготовления и отсутствие собственной подложки в тандеме с худшей чем у карбида кремния теплопроводностью все еще уступают даже обычному кремнию.

Свое признание транзисторы на карбиде кремния и нитриде галлия нашли в СВЧ – электронике. Мощные полевые СВЧ-транзисторы на SiCи GaN не заменимы в электротехнике. Во-первых, сопротивление открытого канала

GaN-транзистора является чрезвычайно низким, что приводит к значительному уменьшению статических потерь проводимости во включенном состоянии. Во-вторых, структура GaN-ключа обеспечивает минимальную входную емкость, что позволяет добиваться высокой скорости

26

переключений. В результате нитрид-галлиевые транзисторы способны коммутировать напряжения в сотни вольт с длительностью переходных процессов в наносекундном диапазоне. Это делает их идеальным выбором для построения мощных импульсных источников питания с большими выходными токами и рабочими частотами до нескольких сотен мегагерц.

Кроме того, увеличение частоты коммутации может (потенциально)

привести к росту эффективности и к уменьшению номиналов емкостей и индуктивностей выходных фильтров, благодаря чему удастся получать компактные решения с минимальными габаритными размерами. Что крайне важно, будущее радарных систем в наше время лежит на плечах нитрида галлия, так как на нам основаны радары АФаР – с активно фазовой решеткой.

У карбида кремния похожая ситуация, с разницей в сторону увеличения рабочего напряжения и уменьшения частоты. Также высокая теплопроводность решает проблему отвода тепла из микроскопических структур. А характеристики GaN и SiC делает транзисторы на их основе устойчивыми к суровым условиям использования.

Транзисторы на основе карбида кремния и нитрида галлия нашли свое применение в СВЧ электронике, и в первую очередь, в электродвигателях.

Перспективным направлением развития транзисторов на основе SiC и GaN

является силовая электроника, которая пока что столкнулась с трудностями.

Предположительные пути решения на данный момент теоретически находятся в производстве n-p структур GaN на подложках из SiC.

27

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Не только диоды и транзисторы на основе SiC и GaN нашли свое применение во всех областях промышленности. Карбид кремния вовсе является компромиссной заменой алмазу во многих ситуациях, например абразивах и корпусах. Это давно исследованный элемент, сложность использования которого заключается в трудности получения и обработки. В первую очередь – из-за образования дефектов. Будущее карбида кремния и в первую очередь,

электроники на его основе, зависит от улучшения имеющихся, и возможно,

создания новых технологических процессов получения и обработки.

Увеличение доли карбида кремния на рынке говорит о успехах в этой области.

Нитрид галлия – куда более молодой материал, но уже нашедший свое незаменимое применение в оптоэлектронике и СВЧ силовой электронике S-

диапазона и выше. Но сложности при формировании p-n структур и отсутствие собственной подложки, а также малый для промышленности срок освоения пока ограничивают применение этого материала.

Оба материала являются перспективными, в некоторых случаях уже незаменимыми, а в других, способными заменить кремний и арсенид галлия.

Нам остается только работать над технологическими открытиями в сфере обработки и применения этих материалов. Так как перспективность этих материалов может сделать общедоступными многие типы электроники и сфер деятельности для потребителей и промышленности.

28

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ:

1.В. С. Сорокин, Б. Л. Антипов, Н. П. Лазарева. – Материалы и элементы электронной техники. Проводники, полупроводники, диэлектрики. – Учебник, том 1, второе издание. – Издательство «Лань», 2015

2.В. С. Сорокин, Б. Л. Антипов, Н. П. Лазарева. – Материалы и элементы электронной техники. – Учебник, том , второе издание. – Издательство «Лань», 2015

3.ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес (Электроника НТБ) 5/2006 ISSN 1992-4178

4.Acheson, G. (1893) U.S. Patent 492 767 «Production of artificial crystalline carbonaceous material»

5.Остроумов А. Г., Рогачев А.А. – Физика. Проблемы, история, люди. – Ленинград: Наука, 1986.

6.Агеев О.А., Беляев А.Е., Болтовец Н.С., Киселев В.С., Конакова Р.В., Лебедев А.А., Миленин В.В., Охрименко О.Б., поляков В.В., Светличный А.М., Чередниченко Д.И. – Карбид Кремния: Технология, свойства, применение. – ИСМА, 2010 г.

7.Туркин Андрей - Обзор развития технологии полупроводниковых гетероструктур на основе нитрида галлия (GaN). – Полупроводниковая светотехника № 6(14)’2011

8.Д.Н. Черепанова, А.П. Ильин -Проблемы высокотемпературного синтеза композита, содержащего Нитрид галлия. – Конференция национального Томского Политехнического Университета (ТПУ). С. 342-343, 2017 г.

9.Cree, Inc. – C3D0406E Rev. B Datasheet. – 2009 г.

29