Автор: Радьков Арсений Владимирович

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №7 (111) апрель-1 2016 г.

Дата публикации: 22.03.2016

Статья просмотрена: 597 раз

Библиографическое описание:

Радьков А. В. Карбид кремния – перспективный материал силовой электроники: свойства и характеристики // Молодой ученый. — 2016. — №7. — С. 149-152.



В данной статье описывается карбид кремния как перспективный материал силовой электроники. Показаны его характеристики, свойства и преимущества по сравнению с другими материалами, которые используются в силовой электронике (Si и GaAs).

Ключевые слова: карбид кремния, SiC, кремний, Si, арсенидгалия, GaAs, политип, силовая электроника, свойства.

Силовая электроника — это важная часть электроэнергетики в целом. В связи со значительным развитием электронной и микроэлектронной промышленности потребность в новых материалах резко возрастает. Особое значение имеет надежность изделий электронной техники и их стойкость к различным воздействиям окружающей среды.

Известно, что эффективность устройств электроники, особенно работающих в экстремальных условиях (высокие температуры, агрессивные среды, радиация), существенно зависит от повышения быстродействия, энергосбережения и надежности элементной базы, в том числе и от способности ее работы. Одним из материалов, на основе которого можно выпускать электронные приборы, соответствующие столь жестким требованиям, является карбид кремния (SiC).

В последнее десятилетие наметился существенный прогресс, как в технологии полупроводникового карбида кремния, так и технологии приборов на его основе. Происходит быстрая модернизация технологии выращивания монокристаллов, увеличение их размеров и улучшение их параметров.

Карбид кремния обладает химической стабильностью, высокой стойкостью к повышенным температурам и радиационным излучением, возможностью легирования его акцепторными и донорными примесями. Все это вызывает интерес к карбиду кремния со стороны разработчиков элементной базы электроники в ряде ведущих стран мира.

В [1] представлены страны, в которых выполняется основной объем работ, а так же компании, ведущие исследования и разработки в области материаловедения SiC и приборов на его основе.

Наиболее успешной в развитии карбидокремниевой индустрии считается компания Cree (США). Достижения компании:

  1. Силовая электроника — транзисторы Cree с напряжением пробоя более 13кВ SiC силовые модули, способные коммутировать токи до 600А;
  2. СВЧ-техника — полевые транзисторы на подложках фирмы Cree, с максимальной частотой до 40 ГГц и пробивным напряжением 120В;
  3. Сенсоры — высокотемпературные (до 600°С), радиационностойкие;
  4. Полупроводниковые преобразователи температуры, давления (до 1600кПа), потока вибрации, в том числе и для экстремальных условий эксплуатации.

В России наибольшие успехи в технологии карбида кремния и приборов на его основе в последние годы принадлежат ученым и инженерам ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН и Санкт-Петербургского Государственного Электротехнического университета «ЛЭТИ» (бывш. ЛЭТИ им. В. И. Ульянова-Ленина).

Уникальные свойства SiC все шире используются для производства полупроводниковых приборов для электроники, микроэлектроники и оптоэлектроники.

Карбид кремния — это слоистый материал, свойства которого зависят от порядка чередования наноразмерных элементов (слоев). Фактически, SiC имеет слоистую структуру, построенную из элементарных слоев трех типов A, B и C, которые отличаются друг от друга кристаллической упаковкой в пределах одного слоя. Период повторения их последовательности может варьироваться от десятков ангстрем до десятка нанометров, что обеспечивает формирование слоистых решеток, макроскопические свойства которых зависят от взаимного расположения таких слоев.

В результате при синтезе формируется ряд индивидуальных слоистых модификаций, которые называются политипами и отличаются электрофизическими (ширина запрещенной зоны, подвижность носителей заряда), оптическими (коэффициенты поглощения, преломления) и химическими (скорость окисления, диффузии примесей) свойствами.

Политипы на основе плотноупакованного слоя могут иметь кубическую (С), гексагональную (Н), ромбоэдрическую (R), и тригональную (Т) решетки. Трехслойный политип, например, с кубической решеткой обозначается как 3С, а шестислойный гексагональный политип — 6Н. На рис. 1 показано структурное упорядочение семейства естественных сверхрешеток карбида кремния:

  1. вид упаковок А, В, С в пределах слоя,
  2. элементарные ячейки основных слоистых модификаций.

рис. 1.jpg

Рис. 1. Структурное упорядочение семейства естественных сверхрешеток карбида кремния: а) вид упаковок А, В, С в пределах слоя, б) элементарные ячейки основных слоистых модификаций

Также на основе карбида кремния возможно формирование объектов, которые представляют собой гетероструктуры в виде сочетания различных модификаций SiC: кубической и гексагональной 3C-2H и 3C-6H.

В таблице 1 приводится сравнение основных электронных свойств карбида кремния политипа 4H(4H-SiC) с кремниевыми (Si) и арсенидгалиевыми (GaAs) полупроводниковыми приборами.

Таблица 1

Наименование

Si

GaAs

4H-SiC

Ширина запрещенной энергетической зоны, эВ

1,12

1,5

3,26

Подвижность электронов, см2/с∙В

1400

9200

800

Подвижность дырок, см2/с∙В

450

400

140

Концентрация собственных носителей, см-3 при 300∙К

1,5х1010

2,1х106

5х10–9

Скорость объемного заряда электронов, см/с∙107

1,0

1,0

2,0

Критическая напряженность электрического поля, МВ/см

0,25

0,3

2,2

Теплопроводность, Вт/см∙К

1,5

0,5

3,0–3,8

Температура Дебая, К

640

550

1430

Можно выделить следующие преимущества материалов SiC по сравнению с Si и GaAs:

  1. Напряженность электрического поля пробоя 4H-SiC более чем на порядок превышает соответствующие показатели у Si и GaAs. Это приводит к тому, что значительно снижается сопротивление в открытом состоянии . На рис. 2 показана зависимость от напряжения пробоя кристалла. Можно видеть, что при напряжении 600 В SiC-диод имеет GaAs-диод — , Si-диод — . Малое удельное сопротивление в открытом состоянии в сочетании с высокой плотностью тока и теплопроводностью позволяет использовать очень малые по размерам кристаллы для силовых приборов.
  2. Большая ширина запрещенной энергетической зоны является результатом более высокого барьера Шоттки по сравнению с Si и GaAs. В результате чрезвычайно малый ток утечки (менее 700мкА при 200°С) при повышенной температуре кристалла снижает термоэлектронную эмиссию за пределами барьера.
  3. Высокая теплопроводность SiC снижает тепловое сопротивление кристалла (по сравнению с Si-диодами — почти в два раза).
  4. Электронные свойства приборов на основе карбида кремния очень стабильны во времени и слабо зависят от температуры, что обеспечивает высокую надежность изделий.
  5. Карбид кремния чрезвычайно устойчив к жесткой радиацией, воздействие которой не приводит к деградации электронных свойств кристалла.
  6. Высокая рабочая температура кристалла (более 600°С) позволяет создавать высоконадежные приборы для жестких условий эксплуатации и специальных применений.
  7. Карбид кремния выделяет высокая температура Дебая, которая характеризует его устойчивость к внешним воздействиям.

рис. 5.jpg

Рис. 2. Зависимость от пробивного напряжения

Литература:

  1. Карбид кремния: технология, свойства, применение / Агеев О А., Беляев А. Е., Болтовец Н. С., Киселев B. C., Конакова Р. В., Лебедев А. А., Миленин В. В., Охрименко О. Б., Поляков В. В., Светличный A. M., Чередниченко Д. И. / Под общей редакцией член-корр. НАНУ, д.ф.-м.н., проф. Беляева А. Е. и д. т.н., проф. Конаковой Р. В. — Харьков: «ИСМА». 2010. — 532 с.
  2. Лучинин В., Таиров Ю. Карбид кремния — алмазоподобный материал с управляемыми наноструктурно-зависимыми свойствами // Наноиндустрия. — 2010, № 1. с. 36–40.
  3. Полищук А. Полупроводниковые приборы на основе карбида кремния — настоящее и будущее силовой электроники // Компоненты и технологии. — 2004. № 8.
Основные термины (генерируются автоматически): Карбид кремния, карбида кремния, основе карбида кремния, карбид кремния, силовой электроники, материал силовой электроники, перспективный материал силовой, полупроводникового карбида кремния, технологии карбида кремния, карбида кремния политипа, сверхрешеток карбида кремния, карбиду кремния, Уникальные свойства sic, 13кВ sic силовые, Силовая электроника, области материаловедения sic, различных модификаций sic, слоистых модификаций, Высокая теплопроводность sic, элементной базы.

Ключевые слова

свойства., карбид кремния, SiC, кремний, Si, арсенидгалия, GaAs, политип, силовая электроника

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос