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:
- Силовая электроника — транзисторы Cree с напряжением пробоя более 13кВ SiC силовые модули, способные коммутировать токи до 600А;
- СВЧ-техника — полевые транзисторы на подложках фирмы Cree, с максимальной частотой до 40 ГГц и пробивным напряжением 120В;
- Сенсоры — высокотемпературные (до 600°С), радиационностойкие;
- 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:
- вид упаковок А, В, С в пределах слоя,
- элементарные ячейки основных слоистых модификаций.
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:
-
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.
- 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.
- Высокая теплопроводность SiC снижает тепловое сопротивление кристалла (по сравнению с Si-диодами — почти в два раза).
- Электронные свойства приборов на основе карбида кремния очень стабильны во времени и слабо зависят от температуры, что обеспечивает высокую надежность изделий.
- Карбид кремния чрезвычайно устойчив к жесткой радиацией, воздействие которой не приводит к деградации электронных свойств кристалла.
- Высокая рабочая температура кристалла (более 600°С) позволяет создавать высоконадежные приборы для жестких условий эксплуатации и специальных применений.
- Карбид кремния выделяет высокая температура Дебая, которая характеризует его устойчивость к внешним воздействиям.
Рис. 2. Зависимость
от пробивного напряжения
Литература:
- 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.
- Лучинин В., Таиров Ю. Карбид кремния — алмазоподобный материал с управляемыми наноструктурно-зависимыми свойствами // Наноиндустрия. — 2010, № 1. с. 36–40.
- Полищук А. Полупроводниковые приборы на основе карбида кремния — настоящее и будущее силовой электроники // Компоненты и технологии. — 2004. № 8.
