고전력 다이오드 정류기는 전력 변환 회로의 중요한 빌딩 블록입니다. 실험적 정류기 결과에 대한 최근의 리뷰는 참고 문헌 3, 134, 172, 180 및 181에 제시되어있다. 가장 중요한 실리콘 다이오드 정류기 장치 설계 트레이드 오프는 대략 병렬로 잘 알려진 실리콘 정류기 트레이드 오프를 제외하고는 전류 밀도 , 전압, 전력 밀도 및 스위칭 속도가 훨씬 빠릅니다. 예를 들어, 반도체 쇼트 키 다이오드 정류기는 바이폴라의 스위칭 동작을 지배하는 (즉, 느려지 며 바람직하지 않은 낭비 전력 및 열을 느리게하는) 소수성 캐리어 전하 저장의 부재로 인해 매우 빠른 스위칭을 나타내는 것으로 알려진 잘 알려진 캐리어 디바이스이다 PN 접합 정류기. 그러나 높은 브레이크 다운 필드 및 넓은 에너지 밴드 갭은 훨씬 더 높은 역 전압으로 인해 ~ 200V 아래에서의 작동으로 제한되는 실리콘 기반 쇼트 키 다이오드의 경우보다 훨씬 높은 전압 (1kv 이상)에서 금속 금속 - 반도체 쇼트 키 다이오드의 작동을 허용한다. 바이어스 열 이온 누출.
4h-sic 파워 쇼트 키 다이오드 (정격 차단 전압이 최대 1200V이고 정격 온 전류는이 문서 작성 시점에서 최대 20A)가 현재 시판 중이다. 이들 유니 폴라 다이오드의 기본 구조는 훨씬 더 두꺼운 (약 200-300 ㎛) 기판 상에 성장 된 비교적 얇은 (약 10 ㎛ 두께의) 가볍게 n- 도핑 된 호모 에피 택셜 층의 상부에 존재하는 패턴 화 된 금속 쇼키 애노드 접촉부이다. 후면 음극 접촉 금속 화로 저 저항 n 형 4h 기판 (5.4.4.2 절에서 논의 된 것처럼 8 ° 축을 벗어남). 가드 링 구조 (통상적으로 p- 타입 임플란트)는 일반적으로 애노드 접점의 가장자리 주위에서 전계 집중 현상을 최소화하기 위해 사용된다. 다이 패시베이션 및 패키징은 신뢰할 수있는 장치 작동에 유해한 아크 / 표면 플래시 오버를 방지합니다. 이들 디바이스의 주요 애플리케이션은 스위치 모드 파워 서플라이이다. (5.3.2 절의 논의와 일치) 쇼트 키 정류기의보다 빠른 스위칭으로 전력 손실을 줄이면 커패시터, 인덕터 및 전체 전원 공급 장치의 크기와 무게. 특히, 소수 캐리어 고정 전하가 없으면, 단극 (unipolar) 쇼크 키 소자는 실리콘 정류기 (~ 200V 블로킹 이상의 pn 접합 다이오드 여야 함)보다 훨씬 빨리 꺼지게되며, 꺼지면 분사 된 소수 캐리어 전하 에너지가 소산되어야한다 . 실리콘 정류기의 부품 비용이 경쟁 실리콘 정류기보다 높았음에도 불구하고 전반적인보다 낮은 전력 공급 시스템 비용이 유용한 성능 이점과 함께 달성된다. 그러나 실리콘을 구성 요소로 대체 할 때 허용 가능한 신뢰성으로 회로 기능을 최상으로 향상시키기 위해서는 회로 설계의 변경이 때때로 필요합니다. 5.4.5 절에서 논의 된 바와 같이, 현재의 물질 품질은 현재 쇼트 키 다이오드의 전류 및 전압 정격을 제한한다. 높은 순방향 바이어스 하에서, 쇼트 키 다이오드 전류 전도는 주로 저농도 도핑 블록 층의 직렬 저항에 의해 제한된다. 이 직렬 저항이 온도에 따라 증가한다는 사실 (epilayer carrier mobility 감소로 인한)은 더 높은 온 전류 정격을 처리하기 위해 다중 쇼트 키 다이오드가 병렬로 연결될 때 각 다이오드를 통해 높은 순방향 전류를 균등화시킨다.
더 높은 전압의 응용에있어서, 양극성 소수 캐리어 주입 (즉, 전도도 변조)은 sic pn 다이오드가 도핑 영역이 도펀트 - 원자 다수 캐리어를 사용하여 단독으로 전도하는 단극 쇼트 키 다이오드보다 높은 전류 밀도를 전달할 수 있어야한다. 실리콘 정류기 경험과 일치하여, SiC 기반의 pn 접합 생성과 관련된 역 누설은 보통 열 이온 발생 형 쇼트 키 다이오드 역 누설보다 작다. 실리콘 바이폴라 소자와 마찬가지로 소수 애플리케이션의 수명을 재현 할 수있는 제어는 스위칭 속도와 특정 애플리케이션을위한 SOIC 바이폴라 소자의 온 전류 밀도 성능 트레이드 오프를 최적화하는 데 필수적이다. 의도적 인 불순물 도입 및 방사선 유도 결함의 도입을 통한 캐리어 수명 감소가 실현 가능하다. 하나, 일관되게 긴 소수 캐리어 수명 (마이크로 초 이상)을 얻을 수있는 능력이이 글을 쓰는 동안 다소 어려워졌으며 양극성 전력 정류기의 모든 잠재력을 실현하기 위해서는 재료의 성장 프로세스에 대한 추가 개선이 필요하다는 것을 나타냅니다. 이 글을 쓰는 시점에서 Sic 바이폴라 전력 정류기는 아직 상용화되지 않았다. 기저 평면 전위 결함 (표 5.2)에서 시작된 4h-sic 에피 택 셜층 스태킹 결함의 전기적 구동 된 팽창에 의한 열악한 전기적 신뢰성은 1990 년대 후반에 4h-sic pn 접합 다이오드의 상업화를위한 공동 노력을 효과적으로 방지했다. 특히 순방향 바이어 싱 된 pn 접합에서 발생하는 양극성 전자 - 정공 재결합은 4H-Sic 차단 층에서 스태킹 장애의 확대를 가져 왔고, 효과적으로 수송을 저하시키는 확대 된 양자 우물 (좁은 3c- 밴드 간극을 기반으로 함)을 형성했다 )의 저농도 도핑 된 접합 차단 층을 가로 지르는 다수의 캐리어를 포함한다. 결과적으로 정격 온 전류를 유지하는 데 필요한 4h 정류기 정류기의 순방향 전압은 예기치 않게 그리고 바람직하지 않게 시간이 지남에 따라 증가한다. 5.4.5 절에서 논의했듯이 물질적 결함으로 인한 문제를 이해하고 극복하기위한 연구가 중요한 진전을 보였으므로 몇 년 내에 양극성 전력 소자가 상용화 될 수 있기를 바랍니다. 넓은 밴드 갭의 단점은 상당한 온 - 상태 전류가 흐르기 시작하는 다이오드의 턴온 \"무릎 (knee)\"에 도달하기 위해 더 큰 순방향 바이어스 전압이 필요하다는 것이다. 높은 무릎 전압은 온 상태의 전력 손실이 바람직하지 않게 증가 할 수 있습니다. 그러나 드리프트 영역 저항이 100 배 감소하고 훨씬 더 빠른 동적 스위칭의 이점은 대부분의 고출력 어플리케이션에서 일반적인 온 슬레이트 전압 단점을 크게 극복해야합니다. sic pn 접합부의 초기 턴 온니는 (1 v 주변의) 쇼트 키 접합부 (약 1 V)보다 높으며 (전도도 변조는 sic pn 접합이 더 높은 블로킹 전압 응용을 위해 더 낮은 순방향 전압 강하를 달성 할 수있게한다). pn 접합 역방향 차단과 낮은 쇼트 키 포워드 턴 온을 결합한 실리콘에서 처음 개발 된 하이브리드 쇼트 키 / pn 정류기 구조는 애플리케이션 최적화 된 정류기 실현에 매우 유용합니다. 유사하게, 듀얼 쇼트 키 금속 구조와 트렌치 핀치 정류기 구조의 조합은 정류기 순방향 턴온 및 역 누설 특성을 최적화하는데 사용될 수있다....
큰 전압 및 전류 (즉, 전력 트랜지스터)를 제어하기 위해 작은 구동 신호를 사용하는 3 단자 전력 스위치는 또한 고전력 변환 회로의 중요한 빌딩 블록이다. 그러나,이 글을 쓰고있는 현재, 고출력 스위칭 트랜지스터는 전력 시스템 회로에서 유용하게 사용할 수있는 상용 제품이 아닙니다. 참고 문헌 134, 135, 172, 180 및 186-188에 요약되어있는 바와 같이, 다양한 개선 된 3 단자 전원 스위치가 최근에 시제품 화되어왔다. 상용 전원 스위칭 트랜지스터의 현재 부족한 점은이 장의 다른 곳에서 논의 된 몇 가지 기술상의 어려움 때문이다. 예를 들어 모든 고전력 반도체 트랜지스터는 오프 상태에서 전류 흐름을 차단하는 높은 전계 접합을 포함한다. 그러므로 다이오드 정류기 (5.4.5 절 및 5.6.4.1 절)의 결정 결함으로 인한 성능 제한은 고전 고전력 트랜지스터에도 적용된다. 또한 5.5.5에서 논의 된 불량한 반전 채널 이동 도와 의심스런 게이트 절연체 신뢰성에 의해 반전 채널 기반 MOS FET (즉, MOSFET, igbts 등)의 성능 및 신뢰성이 제한되어왔다. 이러한 문제를 피하기 위해 mesfet, jfet, bjt 및 depletion-channel MOSFET과 같은 고품질 게이트 절연체에 의존하지 않는 소자 구조가 전원 스위칭 트랜지스터로 사용하기 위해 프로토 타입 화되었습니다. 그러나 이러한 다른 장치 토폴로지는 실리콘 기반 반전 채널 MOSFET 및 igbts에 비해 매력적이지 않은 전원 시스템 회로 설계에 비표준 요구 사항을 부과합니다. 특히, 실리콘 전력 MOSFET 및 igbts는 전력 회로에서 매우 널리 사용되고 있는데, 그 이유는 MOSFET 게이트가 도통 전원 채널로부터 절연되어 있고, 구동 신호 전력이 거의 필요하지 않기 때문이며, 디바이스는 전류 흐름이 없다는 점에서 \"일반적으로 꺼져있다\" 게이트가 0 v에서 바이어스되지 않을 때. 장치 토폴로지가 이러한 회로에 친숙하지 않은면 중 하나 이상을 갖추지 못해 SOIC 기반 장치가 전력 시스템 응용 프로그램에서 실리콘 기반 MOSFET 및 igbts를 유리하게 대체하지 못하는 데 기여했습니다. 5.5.5 절에서 논의 된 바와 같이, 4h-sic MOSFET 기술의 계속적인 개선은 4h-sic MOSFET의 상용화로 곧 이어질 것으로 기대된다. 그 동안 고전압 실리콘 패키지를 저전압 실리콘 전력 MOSFET과 단일 모듈 패키지로 결합함으로써 유리한 고전압 스위칭이 실용화에 가까워지고있는 것으로 보인다. 디 플리 션 채널 (즉, 매립 또는 도핑 된 채널) MOSFET, 저 페트 및 메 페핏을 포함하여, (측면 및 수직 채널 모두를 갖는) sic 도핑 채널 켓에 대한 수많은 설계가 시제품 화되어왔다. 이들 중 일부는 게이트 바이어스가 제로가 아니더라도 \"normally-off\"가되도록 설계되었지만,이 소자의 동작 특성은 상용화를위한 비용 대비 충분한 이점을 제공하지 못했습니다. 프로토 타입 4h 전력의 증가에 대한 실질적인 향상은 p- 주입 된베이스 접촉 영역에서 발생하는 바람직하지 않은 큰 소수 캐리어 재조합을 수용하기위한 장치 설계를 변경함으로써 최근에 성취되었다. igbts, 사이리스터, 다 링톤 쌍 및 기타 실리콘 양극성 전력 소자 유도체도 프로토 타입으로 제작되었습니다. 이전의 고전력 실리콘 디바이스 어플리케이션에서 매우 유용한 기술인 광학 트랜지스터 트리거링 (triggering)이 Sic 바이폴라 디바이스에서도 시연되었다. 그러나 모든 바이폴라 전력 트랜지스터는 순방향 바이어스 하에서 소수 캐리어를 주입하는 적어도 하나의 pn 접합으로 동작하기 때문에 pn 접합 정류기 (5.6.4.1.2 절)에 대해 논의 된 결정 결함 유도 바이폴라 열화가 바이폴라 트랜지스터의 성능에도 적용된다. 그러므로, 파워 서플라이 바이폴라 트랜지스터 디바이스가 상용화에 충분히 신뢰할 수있게되기 전에 4h 층 에피 층으로부터 기저 평면 전위의 효과적인 제거가 이루어져야한다. 유익한 고전압 igbts를 실현하기 위해서는 산화막 문제 (5.5.5 절)가 해결되어야한다. 그러나, 상대적으로 불량한 p- 형 기판 도전성은 실리콘 기술에서 현재 지배적 인 n- igbt 구조 대신에 p- igbts의 개발을 강요 할 수있다. 다양한 기본 전력 디바이스 기술 과제가 극복됨에 따라 전압, 전류 및 스위칭 속도 사양이 점차 넓어지고있는 더 넓은 범위의 전력 트랜지스터가 새로운 전력 시스템 회로를 가능하게 할 것이다....
이 책의 마이크로 머신에 관한 hesketh의 장에서 설명했듯이 실리콘 기반 멤브레인의 개발과 사용은 계속 확대되고있다. 이 장의 이전 섹션에서는 전통적인 반도체 전자 장치에 대한 sic 사용에 중점을 두었지만 sic은 또한 새로운 mems 응용 프로그램에서 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다. Sic은 극한 경도 및 낮은 마찰과 같은 실리콘 기반 멤브레인의 단점을 보완하는 우수한 기계적 특성을 지니고있어 부식 대기에 우수한 화학적 불활성뿐만 아니라 기계적 마모를 줄여줍니다. 예를 들어, 실리콘의 기계적 성질이 불충분 해 보이는 전기 마이크로 모터 및 마이크로 제트 엔진 발전 원의 장시간 작동을 가능하게하는 우수한 내구성이 검토되고있다. 불행하게도, 실리콘보다 더 견고한 동일한 특성은 또한 마이크로 머신에 더 어려울 수 있습니다. 현재까지 얻어진 거친 - 환경 멤브레인 구조 및 프로토 타입 sic-mems 결과에 대한 접근법은 참고 문헌 124 및 190에서 검토됩니다. 습식 화학 물질로 단결정 4 시간 및 6 시간 에칭의 미세 패턴 에칭을 수행 할 수 없음 (섹션 5.5.4)는이 전자 급의 마이크로 머시닝을 더욱 어렵게 만든다. 따라서, 현재까지의 마이크로 초정밀 기계 가공의 대부분은 실리콘 웨이퍼 위에 증착 된 전기적으로 열악한 헤테로 에피 택셜 3c-sic 및 다결정 실리콘으로 구현되었다. 벌크 마이크로 머시닝 (bulk micromachining), 표면 마이크로 머시닝 (surface micromachining) 및 마이크로 몰딩 기술의 변형이 공진기 및 마이크로 모터를 포함하여 다양한 마이크로 기계 구조를 제조하는데 사용되어왔다. 웨이퍼 공간 및 비용을 다른 사용자와 공유하면서 사용자가 자신의 애플리케이션 특정 마이크로 머시닝 디바이스를 실현할 수있게하는 실리콘 웨이퍼 마이크로 기계 제조 프로세스 파운드리 서비스의 표준화 된 제품이 상업적으로 이용 가능하다. (5.6.2 절에서 논의 된 고온 트랜지스터 포함) 실리콘에 증착 된 실리콘 층으로는 불가능한 고온, 저 누설 회로를 필요로하는 어플리케이션, 4h / 6h 실리콘 웨이퍼에 훨씬 더 능률적 인 전자 제품을 통합하기위한 개념 epilayers와 함께 제안되었습니다. 예를 들어, 제트 엔진의 고온 영역에서 사용하기 위해 개발 된 압력 센서는 적절한 센서 작동을 달성하기 위해 낮은 접합 누설이 필요하다는 사실 때문에 6h- 식으로 구현됩니다. 고온 감지 사이트에서 신호 컨디셔닝을 유리하게 가능하게하는 온칩 4h / 6h 통합 트랜지스터 전자 장치도 개발되고있다. 모든 마이크로 기계 기반 센서의 경우, 센서로 패키징하는 것은 열역학적으로 유도 된 응력 (센서로 인한 훨씬 큰 온도 범위에 걸친 열 팽창 계수 불일치로 인해 발생 함)을 부식시키는 것을 최소화하는 방식으로 중요합니다. 그러므로 (5.5.6 절에서 언급했듯이) 진보 된 패키징은 가혹한 환경에서 mem의 운영 범위를 유용하게 확장하는 데있어 중요한 부분이다. 5.3.1 절에서 논의 된 바와 같이, 거친 환경 센서의 주요 적용은 연소 엔진 시스템을 능동적으로 모니터링하고 제어하여 오염 물질을 줄이면서 연료 효율을 향상시키는 것이다. 이를 위해 sic의 고온 기능은 배기 가스 모니터링 어플리케이션과 연료 시스템 누출 탐지에 대한 큰 가능성을 가진 촉매 금속 및 금속 - 절연체 - 원형 프로토 타입 가스 센서 구조의 실현을 가능하게했습니다. 실리콘으로는 불가능한 이러한 구조의 고온 작동으로 냉각 필요성없이 엔진에 눈에 거슬리지 않게 쉽게 놓일 수있는 매우 작은 크기의 센서에서 수소 및 탄화수소 함량의 변화를 백만 분의 1 초의 민감도로 신속하게 감지 할 수 있습니다. 그러나 이러한 시스템이 소비자 자동차 및 항공기에 널리 사용될 준비가되기 전에 sic 기반 가스 센서의 신뢰성, 재현성 및 비용에 대한 추가 개선이 필요합니다. 일반적으로, 대부분의 메모리에 대해서도 마찬가지이며, 열악한 환경에서의 높은 신뢰성이 추가 기술 개발을 통해 보증 될 때까지 널리 유익한 시스템 삽입을 달성하지 못합니다....
정상적인 인간 환경 (컴퓨터, 휴대 전화)에서 작동하도록 주로 저전압 디지털 및 아날로그 칩인 세계 전자 칩의 대부분을 제조하는 데 사용되는 주류 반도체가 실리콘을 대체 할 수는 없다는 것이 안전하게 예측 될 수 있습니다 , 등). sic은 5.3 절에서 설명 된 응용 프로그램과 같이 고전력 및 고온 작동 조건의 범위를 확장 할 수있는 능력으로 인해 상당한 이점을 얻을 수있는 경우에만 사용됩니다. 아마도 실리콘이 오늘날 실리콘 사용을 실질적으로 대체 할 수있는 유일한 주요 응용 분야는 전력 변환, 모터 제어 및 관리 회로에 사용되는 개별 전원 장치 영역입니다. 자동차 감지 시장과 함께 전력 장치 시장은 반도체 기반 반도체 구성 요소에 대해 가장 큰 시장 기회를 제공합니다. 그러나, 이들 애플리케이션 모두의 최종 소비자는 경쟁적으로 낮은 전체 비용과 함께 몹시 높은 신뢰도 (즉, 작동 불량 없음)를 요구한다. 인공 전자 기술이 큰 영향을 미치기 위해서는 이러한 요구를 충족시키기 위해 현재 상태에서 크게 발전해야합니다. 분명히 약간의 상업적 및 군사적 응용 (5.6 절)에서 실제로 배치 된 기반의 구성 요소의 작동 능력과 반도체 반도체 전자 기술의 혁명적 인 넓은 이론적 약속 (5.3 절) 사이에는 매우 큰 불일치가있다. 마찬가지로 상업적으로 배치 된 장치와 비교하여 실험실 장치의 기능 간에는 큰 차이가 있습니다. 많은 \"성공적인\"실험실 프로토 타입을 상용 제품으로 신속하게 전환 할 수 없다는 점은 수용 가능한 신뢰성과 비용을 달성하는 데있어 어려움과 중요성을 모두 보여줍니다.
이 장의 이전 섹션에서는 장애 요소 및 불완전 성으로 알려진 장애 요소를 이미 강조했다. 가장 일반적인 용어로 볼 때, 이러한 장애물은 몇 가지 중요한 근본적인 문제로 귀결됩니다. 이러한 근본적인 문제 중 가장 비판적 인 해결 속도는 반도체 반도체 전자 제품의 가용성, 기능 및 유용성에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 미래의 전자 기기 전자 장치는 장치의 성능, 수율 및 신뢰성에 대한 도전과 관련된 물질 관련 장애를 해결하기위한 기초 자료 연구에 대한 투자와 관련되어 있습니다. 틀림없이 미래의 가장 중요한 열쇠 인 물질적 도전은 유물 웨이퍼에서 전위의 제거이다. 이 장과 그 안의 참고 서에서 이전에 설명한 것처럼 소자 정격, 신뢰성 및 비용을 포함하여 가장 중요한 SIC 전력 정류기 성능 메트릭은 상업용 웨이퍼 및 제 층에 존재하는 높은 전위 밀도에 의해 불가피하게 영향을받습니다. 대량 생산 된 실리콘 웨이퍼의 품질이 실리콘 웨이퍼 (일반적으로 평방 센티미터 당 단 하나의 전위 결함을 포함)의 실리콘 웨이퍼에 가까워지면, 훨씬 더 우수한 유니 폴라 및 바이폴라 고전력 정류기 (킬로 볼트 및 킬로 암페어 정격을 갖는 디바이스 포함)가 급속히 넓어 질 것이다 훨씬 더 다양한 고전력 애플리케이션에서 유용하게 사용할 수 있습니다. 비슷한 개선이 실리콘 트랜지스터에서도 실현 될 것이며, 고전 고전력 디바이스가 실리콘 기반 전력 디바이스를 엄청나게 광범위하고 유용한 애플리케이션 및 시스템 어레이 (5.3 절)에서 대체 할 수있는 길을 열어 준다. 이 진보는 약 15 년 전에 처음으로 상용화 된 웨이퍼 이후에 일어난 상대적으로 느린 \"진화\"와 틈새 시장 삽입에 비해 훨씬 더 빠르고 광범위하게 사용할 수있는 전력 전자 시스템의 \"혁명\"을 가능하게 할 것이다. 5.4 절에서 언급했듯이 최근의 실험 결과에 따르면 모든 상업용 웨이퍼 공급 업체가 10 년 이상 동안 수행 한 표준 부울 성장 기술에 비해 실리콘 웨이퍼 성장에 대한 근본적으로 새로운 접근법을 사용하여 실리콘 웨이퍼 전위의 급격한 감소가 가능합니다. 논란의 여지는 있지만, 고전 고출력 디바이스의 궁극적 인 미래는 오늘날 채택 된 저 전위 밀도 성장 기술의 개발 및 실용화에 달려있다. 이론 외에도 다른 신흥 와이드 밴드 갭 반도체는 섹션 5.3에서 설명 된 것과 같이 실리콘 반도체 기술에 비해 큰 전기 시스템 이점을 이론적으로 제공한다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 예를 들어, 다이아몬드 및 일부 그룹 Ⅲ 족 질화물 화합물 반도체 (예 : gan; 표 5.1)는 고 파괴 전계 및 낮은 고유 전하 캐리어 농도를 가지므로 전력 밀도, 주파수 및 온도와 비슷하거나 초과하는 온도에서 작동 할 수 있습니다. 그러나 이러한 반도체의 전기 장치는 유리하게도 높은 성능을 안정적으로 달성하고 상업화하기 위해서는 반드시 극복해야하는 다양한 어려움을 겪고있다. sic 전자 기능 확장이 다른 와이드 밴드 갭 반도체에 비해 너무 느리게 진화한다면, 후자는 원래 sic을 위해 구상 된 어플리케이션과 시장을 포착 할 가능성이 존재한다. 그러나 특정 애플리케이션에 안정적이고 비용 효율적인 와이드 밴드 갭 기능을 제공하는 데 성공한 경우, 이후의 와이드 밴드 갭 기술은 아마도 더 나은 비용 / 성능 메트릭을 달성해야 할 것입니다. 그러므로 어느 정도는 반도체 전자 기능의 작동 범위를 확대하는쪽으로 진화를 계속할 것입니다....