실리콘 카바이드 (sic) 기반 반도체 전자 장치 및 회로가 현재 개발 중이다. 고온, 고출력 및 고 방사 조건에서 사용하기 위해 기존의 반도체 적절히 수행 할 수 없다. 이러한 극한 조건에서 실리콘 카바이드의 기능 광범위한 응용 프로그램 및 시스템을 크게 개선 할 것으로 기대됩니다. 공공 전력의 에너지 절감을 위해 크게 개선 된 고전압 스위칭 배전 및 전기 모터 드라이브를 레이더 및 통신용보다 강력한 마이크로 웨이브 전자 장치로 전환 더 효율적인 제트 항공기 및 자동차의 클리너 연소를위한 센서 및 제어 장치 엔진. 파워 디바이스의 특정 영역에서 이론적 인 평가는 전력 MOSFET 및 다이오드 정류기는 더 높은 전압 및 온도 범위에서 동작하며, 탁월한 스위칭 특성을 제공하지만 다이 크기는 그에 상응하는 것보다 거의 20 배 정도 작습니다 등급의 실리콘 기반 장치. 그러나,이 엄청난 이론적 인 이점은 아직 광범위하게 존재하지 않습니다. 상업적으로 이용 가능한 SIC 장치에서 실현되었는데, 그 이유는 sic이 상대적으로 미숙 결정 성장 및 소자 제조 기술이 아직 충분히 개발되지 않았다. 대부분의 전자 시스템에 안정적으로 통합 할 수 있습니다. 이 장에서는 반도체 반도체 전자 기술에 대해 간략하게 살펴 본다. 특히, 차이 실리콘 전자 기술과 잘 알려진 실리콘 vlsi 기술 사이의 차이점 (좋고 나쁨) 강조 표시됩니다. sic 전자 장치의 예상 된 성능 이점은 여러 대규모 응용 프로그램. 핵심 결정 성장 및 장치 제조 문제로 인해 현재 성능 및 고온 및 고전력 실리콘 전자 장치의 성능이 확인되었습니다.
탄화 규소 (SiC) 재료는 현재 연구 개발에서 시장 주도의 제조 제품으로 변모하고 있습니다. 초박형 기판은 현재 녹색, 청색 및 자외선 발광 다이오드 (led)의 세계 생산의 상당 부분에 대한 기반으로 사용됩니다. sic homoepitaxy를위한 신흥 시장에는 s 및 x 밴드 용 고전력 스위칭 장치 및 마이크로 웨이브 장치가 포함됩니다. 기판상의 헤테로 에피 택셜 간 기반 구조의 응용은 LED 및 마이크로 웨이브 장치를 포함한다. 이러한 흥미 진진한 장치 결과는 si와 ga에 비해 Sic이 제공하는 고유 한 전기 및 열 물리 특성의 개발에서 비롯됩니다. 그 중에서도 고온 동작 및 방사 저항을위한 큰 밴드 갭; 고전력 출력을위한 높은 임계 브레이크 다운 필드; 고주파 동작을위한 높은 포화 전자 속도; 고전력 소자의 열 관리를위한 상당히 높은 열전도도.
탄화 규소는 polytypes라고 불리는 많은 다른 결정 구조에서 발생합니다. 모든 sic 폴리 타입은 화학적으로 50 % 실리콘 원자와 공유 결합 된 50 % 탄소 원자로 이루어져 있음에도 불구하고, 각각의 폴리 폴리 타입은 전기적 특성의 고유 세트를 갖는다. 100 가지가 넘는 알려진 polytype이 있지만 전자 반도체로 사용할 수있는 재현성있는 형태로 일반적으로 성장하는 것은 적다. 전자 공학을 위해 현재 개발되고있는 가장 일반적인 polytype은 3c-sic, 4h-sic 및 6h-sic입니다. 두 가지 가장 일반적인 polytypes의 원자 결정 구조는 그림의 개략적 인 단면에 표시됩니다. 참고 문헌 9와 10에서 훨씬 더 철저하게 논의 되었 듯이, 서로 다른 polytypes는 실제로 si-c 이중층 (si-c 이중층이라고도 함)의 서로 다른 적층 순서로 구성되며 각 단일 Si-c 이중층은 점선으로 표시됩니다 상자에 그림입니다. 이중층 내의 각 원자는 동일 (자체) 이중층의 다른 원자와의 3 개의 공유 화학 결합과 인접한 이중층의 원자와의 단일 결합을 갖는다. 그림 5.1a는 c 축 적층 방향 (밀러 인덱스로 표시)을 따라 단위 셀 반복 거리를 정의하기 위해 4 개의 si-c 이중층을 필요로하는 4h-poly polytype의 스태킹 시퀀스의 이중층을 보여줍니다. 유사하게, 6h-poly 폴리 타입은 적층 방향을 따라 결정 전반에 걸쳐 6 개의 이중층마다 적층 순서를 반복한다. 도면에 도시 된 방향은 종종 a 축 방향 중 하나로서 (함께) 언급된다. sic은 c 축에 수직 인 한 표면이 실리콘 원자로 종단되고 반대편의 정상 c 축 표면이 탄소 원자로 종결된다는 점에서 c 축을 가로 지르는 극성 반도체입니다. 도시 된 바와 같이, 이들 표면은 일반적으로 각각 "실리콘면"및 "탄소면"표면으로 지칭된다. 그림의 왼쪽 또는 오른쪽 가장자리를 따르는 원자는 방향에 수직 인 "a-면"결정 표면 평면에 상주합니다. β-sic라고도하는 3c-sic은 입방 형 결정 격자 구조를 갖는 유일한 형태의 구조이다. noncubic polytypes of sic은 때로는 모호하게 α-sic이라고 불린다. 4h-sic과 6h-sic은 6 각형 결정 구조를 가진 많은 가능한 폴리 폴리 타입의 단지 2 개입니다. 유사하게, 15r-sic은 능 면체 결정 구조를 가진 많은 가능한 sic polytypes 중에서 가장 흔한 것이다.
구조 결정 격자 내의 si 및 c 원자의 상이한 배열로 인해, 각각의 구조적 폴리 유형 독특한 기본 전기 및 광학 특성을 나타냅니다. 더 중요한 반도체 중 일부 3c, 4h 및 6h 폴리 폴리 타입의 전기적 특성은 표 5.1에 나와있다. 훨씬 더 상세한 전기 특성은 참고 문헌 11-13 및 그 안의 참고 문헌에서 찾을 수있다. 심지어 주어진 폴리 타입 (polytype)에서 중요한 전기적 특성은 비 등방성이다. 전류 흐름 및인가 된 전계의 결정 학적 방향 (예를 들어, 전자 이동도 6h-sic 용). sic의 도펀트 불순물은 에너지 적으로 동등하지 않은 부위에 통합 될 수 있습니다. 모두 다양한 도판트 결합 자리와 관련된 도핑 이온화 에너지는 일반적으로 표 5.1에는 각 시료의 가장 얕은 이온화 에너지만을 열거한다 불결.
탄화 규소는 polytypes라고 불리는 많은 다른 결정 구조에서 발생합니다. 보다 포괄적 인 sic crystallography와 polytypism에 대한 소개는 참고 문헌 9에서 찾을 수있다. 모든 sic 폴리 타입은 화학적으로 50 % 실리콘 원자와 공유 결합 된 50 % 탄소 원자로 구성되며, 각각의 SIP 폴리 타입은 고유의 전기적 반도체 특성 세트를 갖는다. 끝났다. 100 개의 알려진 polytypes of sic, 단지 소수만 일반적으로 사용하기에 적합한 재현성있는 형태로 재배됩니다 전자 반도체로. 현재 가장 일반적으로 사용되는 polytypes는 전자 제품은 3c-sic, 4h-sic 및 6h-sic입니다. 가장 일반적인 두 가지 원자 결정 구조 polytypes는 그림 5.1의 개략적 인 단면도에 나와 있습니다. 보다 철저하게 논의 된 바와 같이 참고 문헌 9와 10에서 서로 다른 polytypes은 서로 다른 stacking sequences로 구성되어있다. 의 si-c 이중층 (si-c 이중층이라고도 함)으로 구성되며, 여기서 각각의 단일 Si-c 이중층은 점선 그림 5.1의 상자. 이중층 내의 각 원자는 다른 원자와 3 개의 공유 결합을 갖는다. 동일한 (자체의) 이중층 및 인접한 이중층의 원자에 대한 단 하나의 결합. 그림 5.1a는 단위를 정의하기 위해 4 개의 si-c 이중층을 필요로하는 4h-poly polytype의 적층 시퀀스의 이중층 셀 반복 방향 (밀러 인덱스로 표시). 비슷하게, 그림 5.1b에 나와있는 6h-poly polytype은 전체 6 개 이중층마다 스태킹 시퀀스를 반복합니다 적층 방향을 따라 결정. 그만큼 도 5.1에 도시 된 방향은 종종 (와 함께 ) a 축 방향 sic은 c 축을 가로 지르는 극성 반도체 다. c- 축에 수직 인 방향은 실리콘 원자로 종결되며 반대 방향의 정상 c- 축 표면 은 탄소 원자로 종결된다. 그림 5.1a에서 볼 수 있듯이 이러한 표면은 일반적으로 \"실리콘면\"및 \"탄소면\"표면을 각각 나타낸다. 그림 5.1a의 왼쪽 또는 오른쪽 가장자리를 따르는 원자 \"a-face\"크리스탈 표면에 상주한다. 평면에 수직 인 평면. 3c-sic, β-sic로도 불리는이 구조는 입방 결정 격자 구조를 갖는 유일한 형태의 구조이다. 비 입방 형 polytypes of sic은 때로는 모호하게 α-sic이라고합니다. 4h-sic과 6h-sic은 많은 것 중 단지 2 가지입니다. 도 5.1은 (a) 4h-sic 및 (b) 6h-sic 원자 결정 구조의 개략적 인 단면도이고, 중요한 결정 학적 방향과 표면. 육각형 결정 구조를 가진 가능한 sic polytypes. 마찬가지로, 15-sic은 rhombohedral 결정 구조를 가진 많은 가능한 sic polytypes.
구조 결정 격자 내의 si 및 c 원자의 상이한 배열로 인해, 각각의 구조적 폴리 유형 독특한 기본 전기 및 광학 특성을 나타냅니다. 더 중요한 반도체 중 일부 3c, 4h 및 6h 폴리 폴리 타입의 전기적 특성은 표 5.1에 나와있다. 훨씬 더 상세한 전기 특성은 참고 문헌 11-13 및 그 안의 참고 문헌에서 찾을 수있다. 심지어 주어진 폴리 타입 (polytype)에서 중요한 전기적 특성은 비 등방성이다. 전류 흐름 및인가 된 전계의 결정 학적 방향 (예를 들어, 전자 이동도 6h-sic 용). sic의 도펀트 불순물은 에너지 적으로 동등하지 않은 부위에 통합 될 수 있습니다. 모두 다양한 도판트 결합 자리와 관련된 도핑 이온화 에너지는 일반적으로 표 5.1에는 각 시료의 가장 얕은 이온화 에너지만을 열거한다 불결. 주요 폴리 폴리 타입의 중요한 반도체 전자 특성의 비교 300 k에서 실리콘,가 스 및 2h-gan 사용 비교를 위해 표 5.1에는 실리콘,가 스 및 간의 유사한 특성도 포함되어 있습니다. 때문에 실리콘은 대부분의 상업용 고체 전자 장치에 사용되는 반도체이며 표준입니다 다른 반도체 재료를 평가해야한다. 주요 학위를 다양하게 폴리 타입은 실리콘에 비해 기본 재료 특성에있어 장단점을 나타낸다. 그만큼 표 5.1에 열거 된 실리콘에 비해 가장 유리한 고유 한 재료 우월성은 예외적으로 고 파괴 전계, 넓은 밴드 갭 에너지, 높은 열 전도율 및 높은 캐리어 포화도 속도. 이러한 특성들이 가능하게하는 전기 장치 성능 이점들이 논의된다 다음 섹션에서는 개선 된 Sic 디바이스로 시스템 레벨 이점을 사용할 수 있습니다.
sic 기반 전자 제품이 제공하는 가장 유익한 두 가지 이점은 고온 및 고전력 장치 작동. 고온 및 고온을 가능하게하는 특정한 SIC 소자 물리학 고출력 기능을 우선 검토 한 다음 혁명적 인 시스템 수준의 몇 가지 예를 살펴볼 것입니다 향상된 성능으로 이러한 향상된 기능이 가능합니다.
넓은 밴드 갭 에너지 및 낮은 고유 캐리어 농도로 인해 유지 될 수있다. 반도체보다 훨씬 높은 온도에서의 반도체 거동 실리콘보다 훨씬 높은 온도에서 디바이스 기능을 구현할 수있다. 기본에서 논의 된대로 반도체 전자 장치 물리 교과서, 반도체 전자 장치 기능 고유 캐리어가 무시할 수있는 온도 범위에서 전도율이 의도적으로 도입 된 도펀트 불순물. 또한, 고유 캐리어 농도 원하지 않는 접합 역 바이어스 누설을 제어하는 잘 알려진 방정식에 대한 기본 프리 팩터이다 전류. 온도가 증가함에 따라 고유 캐리어가 기하 급수적으로 증가하여 원하지 않는 누설 전류는 허용 할 수 없을 정도로 커지며 결국에는 여전히 더 높은 온도에서 반도체 고유 한 캐리어가 의도적으로 초과 할 때 제어되지 않는 전도도로 장치 작동이 극복됩니다. 장치 도핑. 특정 장치 설계에 따라, 실리콘의 고유 캐리어 농도 일반적으로 실리콘 디바이스 동작을 300 ℃ 미만의 접합 온도로 제한한다. 아주 작아. 진성 캐리어 농도는 이론적으로 접합 온도가 초과 할 때 소자 작동을 허용한다. 800 ° c. 600 ° C 장치 작동은 다양한 실험적으로 입증되었습니다. sic 장치. 냉각되지 않은 고온 반도체 전자 기기를 뜨거운 곳에 직접 배치 할 수있는 능력 환경은 자동차, 우주 항공 및 심정 굴착에 중요한 이익을 가져다 줄 것입니다 산업. 자동차 및 우주 항공 엔진의 경우 향상된 전자 원격 측정 및 연소를보다 정확하게 제어하려면 고온 엔진 영역에서 제어해야합니다. 오염 물질 배출을 줄이면서 연료 효율을 향상시키는 프로세스. 고온 능력 액체 냉각, 팬, 열과 관련된 성능, 신뢰성 및 중량 패널티를 제거합니다. 차폐 및 기존 와이어를 사용하는 엔진에서 유사한 기능을 실현하는 데 필요한 긴 와이어 런 실리콘 반도체 전자 제품.
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