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5. Tecnologia de carboneto de silício
  • 5-5-4 gravura padronizada de sic para fabricação de dispositivo

    2018-01-08

    à temperatura ambiente, não existem químicos húmidos convencionais conhecidos que gravem o cristal único sic. a maioria gravura padronizada de sic para dispositivos eletrônicos e circuitos é realizada usando técnicas de gravação seca. o leitor deve consultar as referências 122–124 que contêm resumos de resultados secos de sic etching obtido até à data. o processo mais comumente empregado envolve gravação reativa de íons (rie) de sic em plasmas fluorados. máscaras de gravura sacrificial (como metal de alumínio) são depositadas e fotolitograficamente padronizado para proteger as áreas desejadas de serem gravadas. o processo sic rie pode ser implementado usando hardware de silício padrão e taxas de gravação típicas de 4h e 6h sic rie da ordem de centenas de angstroms por minuto. processos de sic bem otimizados são tipicamente altamente anisotrópicos com corte da máscara, deixando superfícies lisas. uma das chaves para alcançar superfícies lisas está impedindo \"micromasking\", em que o material de máscara é ligeiramente gravado e redepositado aleatoriamente na amostra efetivamente mascarando áreas muito pequenas na amostra que se destinavam a uniforme gravura. isso pode resultar na formação de características de resíduo de etch “grama” nas regiões não mascaradas, o que é indesejável na maioria dos casos. enquanto as taxas de gravação são suficientes para muitas aplicações eletrônicas, taxas muito mais altas são necessário para esculpir recursos da ordem de dezenas a centenas de micrômetros de profundidade que são necessários para realizar sensores avançados, mems e furos passantes úteis para dispositivos sic rf. secagem a plasma de alta densidade técnicas como ressonância de ciclotron de elétrons e plasma indutivamente acoplado foram desenvolvido para atender a necessidade de gravação profunda de sic. taxas de ataque padronizadas isentas de resíduos excedendo mil angstroms por minuto foram demonstrados. gravura padronizada de sic a velocidades de gravação muito altas também foi demonstrada usando foto-assistida e Gravura molhada eletroquímica escura. Ao escolher as condições adequadas de gravação, esta técnica demonstrou uma capacidade muito útil dopante-seletiva etch-stop. no entanto, existem grandes incompatibilidades do processo eletroquímico que o torna indesejável para a produção em massa de vlsi, incluindo pré e pós-preparação da amostra, isotropia etch e subcotação da máscara, e um pouco gravação não uniforme através da amostra. técnicas de gravação a laser são capazes de gravar grandes características, como através de furos através de wafer úteis para chips de RF.

  • 5-5-5 isoladores sic: óxidos térmicos e tecnologia MOS

    2018-01-08

    a grande maioria dos chips de circuitos integrados semicondutores em uso atualmente dependem do óxido de metal de silício - transistores de efeito de campo de semicondutores (mosfets), cujas vantagens eletrônicas e física de dispositivos são resumidos no capítulo de katsumata e em outros lugares. dado o extremo utilidade e sucesso da eletrônica baseada no MOSFET do canal de inversão no silício vlsi (assim como dispositivos discretos de silício), é naturalmente desejável implementar a inversão de alto desempenho Mosfets de canal em sic. como o silício, o sic forma uma térmica quando é suficientemente aquecido ambiente de oxigênio. enquanto isso permite que a tecnologia sic mos siga um pouco o sucesso caminho da tecnologia silicon mos, existem no entanto diferenças importantes na qualidade do isolador e processamento de dispositivos que estão atualmente impedindo mosfetas sic de realizar seus benefícios potencial. enquanto o discurso a seguir tenta destacar rapidamente os principais problemas enfrentados pelo mosfet sic desenvolvimento, insights mais detalhados podem ser encontrados nas referências 133–142. de um ponto de vista puramente elétrico, há duas deficiências operacionais principais de óxidos de mosfetos em comparação com mosfet de silício. primeiro, mobilidades efetivas de canal de inversão na maioria dos mosfet sic são menores do que se esperaria com base nas mobilidades da transportadora mosfet de inversão de silício. isso reduz seriamente o ganho de transistor e a capacidade de transporte de corrente de mosfet sic, de modo que sic mosfets não são tão vantajosos quanto teoricamente previsto. segundo, óxidos de sic não provaram tão confiáveis ​​e imutáveis ​​quanto os óxidos de silício bem desenvolvidos, em que os mosfet sic são mais propensos a mudanças de voltagem de limiar, vazamento de porta e falhas de óxido do que mosfet de silício comparativamente enviesados. dentro particular, deficiências de desempenho elétrico de óxido de mosfet sic são atribuídas a diferenças entre qualidade de silício e óxido térmico sic e estrutura de interface que fazem com que o óxido de sic exiba indesejavelmente níveis mais altos de densidade de estados de interface ), taxas fixas de óxido ( ) armadilha de carga, tunelamento de óxido transportador e mobilidade reduzida de portadores de canal de inversão. Ao destacar as dificuldades enfrentadas pelo desenvolvimento do mosfet sic, é importante ter em mente que mosfetos de silício iniciais também enfrentaram desafios de desenvolvimento que levaram muitos anos de pesquisas dedicadas esforços para superar com sucesso. na verdade, melhorias tremendas no desempenho do dispositivo 4h-sic mos foram alcançados nos últimos anos, dando esperança de que dispositivos mosfet de potência 4h-sic operação até 125 ° c a temperatura ambiente pode ser comercializada nos próximos anos. por exemplo, mobilidade do canal de inversão mosfet 4h-sic para orientada convencionalmente (8 ° off (0001) eixo c) as bolachas melhoraram de ...

  • 5-5-6 embalagem do dispositivo sic e considerações sobre o sistema

    2018-01-08

    Os dispositivos semicondutores hostis e ics de ambiente hostil são pouco vantajosos se não puderem ser configurados e conectados de maneira confiável para formar um sistema completo capaz de operar em ambiente hostil. Com a seleção adequada de materiais, as modificações das tecnologias existentes de embalagem IC parecem viáveis ​​para embalagens de circuitos não potentes até 300 ° C. trabalhos recentes estão começando a atender às necessidades das aplicações eletrônicas aeroespaciais mais exigentes, cujos requisitos incluem a operação em ambientes de oxidação ambiente de 500 a 600 ° C de alta vibração, às vezes com potência muito alta. Por exemplo, alguns protótipos de pacotes eletrônicos e placas de circuito que podem suportar mais de mil horas a 500 ° C foram demonstrados. Componentes passivos de ambiente agressivo, como indutores, capacitores e transformadores, também devem ser desenvolvidos para operação em condições exigentes, antes que os benefícios completos do sistema de eletrônica discutidos na seção 5.3 possam ser realizados com sucesso.

  • 5-6 sic dispositivos eletrônicos e circuitos

    2018-01-08

    Esta seção resume brevemente uma variedade de projetos de dispositivos eletrônicos sic discriminados pelas principais áreas de aplicação. Os problemas de tecnologia de processo e material sic que limitam as capacidades de várias topologias de dispositivos sic são destacados como questões-chave a serem abordadas na maturação da tecnologia sic. Ao longo desta seção, deve tornar-se aparente para o leitor que o desafio geral mais difícil que impede que a eletrônica sic atinja plenamente as capacidades benéficas é alcançar alta confiabilidade operacional a longo prazo, enquanto opera em regimes de temperatura e densidade de potência anteriormente inatingíveis. Como muitas limitações de confiabilidade do dispositivo podem ser atribuídas a questões fundamentais de material e junção / interface já mencionadas nas seções 5.4 e 5.5, os esforços para permitir que a eletrônica útil (ou seja, confiável) se concentre em melhorias nessas áreas fundamentais.

  • 5-6-1 dispositivos optoeletrônicos sic

    2018-01-08

    o bandgap largo de sic é útil para realizar optoelectronics azul e ultravioleta (uv) de curto comprimento de onda. Diodos emissores de luz de junção pn baseados em 6h-sic (leds) foram os primeiros dispositivos semicondutores para cobrir a parte azul do espectro de cores visíveis, e se tornou o primeiro dispositivo baseado em sic a alcançar vendas comerciais de alto volume. porque o bandgap do sic é indireto (ou seja, o mínimo de condução e o máximo da banda de valência não coincidem no espaço do momento do cristal), recombinação luminescente é inerentemente ineficiente. portanto, leds baseados em junções sic pn foram tornados obsoletos pelo surgimento do grupo nitreto iii-nitreto muito mais eficiente e muito mais eficiente (iii-nr como gan, e ingan) leds azuis. no entanto, sic wafers ainda são empregados como um dos substratos (juntamente com safira) para o crescimento de camadas iii-n utilizadas na fabricação de alto volume de verde e azul Leds à base de nitreto. sic tem se mostrado muito mais eficiente em absorver a luz de curto comprimento de onda, o que permitiu Realização de fotodíodos sensíveis ao UV que funcionam como excelentes sensores de chama no motor de turbina. monitoramento e controle de combustão. o bandgap largo de 6h-sic é útil para perceber correntes escuras de baixo fotodiodo, bem como sensores que são cegos para comprimentos de onda indesejados no infravermelho próximo produzido pelo calor e pela radiação solar. sensores de chama uv comerciais baseados em sic, novamente baseados em epitaxialmente cultivados secos-etch mesa-isolado 6h-sic diodos de junção pn, reduziram com sucesso a poluição prejudicial emissões de turbinas à base de gás usadas em sistemas de geração de energia elétrica. a baixas correntes escuras de diodos sic também são úteis para a detecção de raios-x, íons pesados ​​e nêutrons em monitoramento de reatores e estudos científicos aprimorados de colisões de partículas de alta energia e radiação .

  • 5-6-2 sic rf devices

    2018-01-08

    o principal uso de dispositivos sic rf parece estar na amplificação de alta potência em estado sólido de alta freqüência em freqüências de cerca de 600 mhz (banda de uhf) a talvez tão alto quanto alguns gigahertz (banda de x). como discutido em maior detalhe nas referências 5, 6, 25, 26, 159 e em outros lugares, a alta tensão de ruptura e a alta condutividade térmica acopladas à alta velocidade de saturação do portador permitem que os transistores sic rf lidem com densidades de potência muito mais altas que seus silicones ou gaas contrapartes de rf, apesar da desvantagem da sic na mobilidade de portadores de baixo campo (tabela 5.1). a maior condutividade térmica do sic também é crucial para minimizar o auto-aquecimento do canal, de modo que o espalhamento do fônon não degrada seriamente a velocidade do transportador. Esses argumentos de vantagem de potência de material aplicam-se a uma variedade de diferentes estruturas de transistor, tais como mesfetos e transistores de indução estática (sedes) e outros semicondutores de bandas largas (como os iii-nitretos de grupo) além da sic. A alta densidade de potência dos transistores bandgap largos será bastante útil na realização de aplicações de transmissores de estado sólido, onde uma potência maior com menor tamanho e massa são cruciais. menos transistores capazes de operar em temperaturas mais altas reduzem os requisitos de correspondência e resfriamento, levando à redução do tamanho e custo geral desses sistemas. Agora, os mesfets de alta freqüência sf baseados em sic estão comercialmente disponíveis. no entanto, é importante observar que isso ocorreu após anos de pesquisa fundamental rastreada e eliminou a baixa confiabilidade devido aos efeitos de captura de carga decorrentes de substratos semi-isolantes imaturos, epilayers de dispositivos e passivação de superfície. um avanço chave de material que permitiu uma operação confiável foi o desenvolvimento de substratos sic semi-isolantes de alta pureza (necessários para minimizar capacitâncias de dispositivos parasitas) com muito menos captura de carga induzida do que as pastilhas sic semi-isolantes dopadas com vanádio anteriormente desenvolvidas. dispositivos de mesfet sic fabricados em substratos semi-isolantes são concebivelmente menos suscetíveis. a conseqüências adversas do rendimento, decorrentes de micropipes, do que dispositivos de comutação verticais de alta potência, principalmente porque uma micropipeta de eixo c não pode mais encurtar dois lados condutores de uma junção de alto campo na maioria das áreas da estrutura de mesfet do canal lateral. diodos misturadores sic também mostram excelente promessa para reduzir interferência de intermodulação indesejada em receptores rf. mais de 20 db de melhora na faixa dinâmica foi demonstrada usando misturadores de diodo schottky sic não otimizados. Após um maior desenvolvimento e otimização, os misturadores baseados em sic devem melhorar a imunidade à interferência em situações (como em aeronaves o...

  • 5-6-3 dispositivos de nível de sinal de alta temperatura sic

    2018-01-08

    a maioria dos circuitos de condicionamento de sinais analógicos e lógicos digitais são considerados \"nível de sinal\" nesses transistores individuais nestes circuitos não requerem tipicamente mais do que alguns miliamperes de corrente e \u0026 lt; 20 v para funcionar adequadamente. circuitos de silício-no-isolante disponíveis comercialmente podem realizar funções complexas de nível de sinal digital e analógico até 300 ° c quando a saída de alta potência não é necessária [163]. além de ics em que é vantajoso combinar sinalização funções de nível com sensores / sensores sic de alta potência ou únicos em um único chip, circuitos sic mais caros unicamente executar funções de nível de sinal de baixa potência parecem altamente injustificáveis ​​para aplicações de baixa radiação a temperaturas abaixo de 250 a 300 ° c. até o momento desta publicação, não há transistores semicondutores comercialmente disponíveis ou circuitos integrados (sic ou outros) para uso em temperaturas ambiente acima de 300 ° c. mesmo que os protótipos de laboratório de alta temperatura baseados em sic tenham melhorou significativamente ao longo da última década, alcançar a confiabilidade operacional a longo prazo continua a ser o principal realizando dispositivos e circuitos úteis de 300-600 ° c. tecnologias de circuito que foram usadas para implementar vlsi com sucesso circuitos em silício e gaas, como cmos, ecl, bicmos, dcfl, etc., são em graus variados candidatos para t \u0026 gt; 300 ° c circuitos integrados. a confiabilidade do isolador de porta de alta temperatura (seção 5.5.5) é crítica para a realização bem-sucedida de circuitos integrados baseados em mosfet. o vazamento de diodo schottky porta-a-canal limita a temperatura de pico de operação dos circuitos sic de mesfet a cerca de 400 ° c (seção 5.5.3.2). portanto, dispositivos baseados em junção pn, como transistores de junção bipolar (bjts) e transistores de efeito de campo de junção (jfets), parecem ser tecnologias candidatas mais fortes (pelo menos no curto prazo) para atingir operação de longa duração em 300-600 ° c Ambientes porque os circuitos de nível de sinal são operados em campos elétricos relativamente baixos bem abaixo da tensão de falha elétrica da maioria das deslocações, micropipes e outros deslocamentos séricos afetam o rendimento do processo de circuito de sinal em um grau muito menor do que afetam o rendimento de dispositivos de alta potência. Até o momento, alguns transistores discretos e lógicas de protótipos em pequena escala e amplificadores analógicos foram demonstrados em laboratório usando variações sic de topologias de dispositivos nmos, cmos, jfet e mesfet. no entanto, nenhum desses protótipos é comercialmente viável até o momento, em grande parte devido à sua incapacidade de oferecer uma operação eletricamente estável de duração prolongada em temperaturas ambiente além da faixa de 250 a 300 ° c de tecnologia de silício sobre isolante. como discutido na seção 5.5, um obstáculo comum a todas as ...

  • 5-6-4 dispositivos de comutação de alta potência sic

    2018-01-08

    as propriedades inerentes do material e a física básica por trás dos grandes benefícios teóricos do sic sobre o silício para dispositivos de comutação de energia foram discutidas na seção 5.3.2. similarmente, foi discutido na seção 5.4.5 que defeitos cristalográficos encontrados em sic wafers e epilayers são atualmente um fator primário que limita a comercialização de dispositivos de comutação de alta potência sic úteis. esta seção enfoca os aspectos adicionais de desenvolvimento de retificadores de potência sic e tecnologias de transistor de chaveamento de energia. A maioria dos protótipos de dispositivos de potência SIC emprega topologias e características semelhantes às suas contrapartes baseadas em silício, tais como fluxo vertical de alta corrente através do substrato para maximizar a corrente do dispositivo usando uma área de bolacha mínima (isto é, maximizar a densidade de corrente). em contraste com o silício, no entanto, a condutividade relativamente baixa dos substratos atuais do tipo p (seção 5.4.3) dita que todas as estruturas do dispositivo de potência sic verticais sejam implementadas usando substratos do tipo n para atingir densidades de corrente verticalmente altas . muitos dos trade-offs de design de dispositivos praticamente paralelos aos trade-offs de dispositivos de energia de silício bem conhecidos, exceto pelo fato de que números para densidades de corrente, tensões, densidades de potência e velocidades de comutação são muito mais altos em sic. Para que os dispositivos de potência funcionem com êxito em altas tensões, a quebra periférica devido ao aglomeramento de campo elétrico edgerelated deve ser evitada através do projeto cuidadoso do dispositivo e da escolha adequada de materiais dielétricos isolantes / passivantes. o pico de voltagem de muitos protótipos de dispositivos de alta voltagem sic tem sido limitado pela quebra destrutiva relacionada à borda, especialmente em dispositivos sic capazes de bloquear múltiplos kilovolts. Além disso, a maioria dos testes de muitos protótipos de dispositivos multiquilovolt exigiu que o dispositivo fosse imerso em fluidos com alta rigidez dielétrica ou atmosferas gasosas para minimizar o arco elétrico prejudicial e o flashover de superfície nas periferias do dispositivo. uma variedade de metodologias de terminação de borda, muitas das quais foram originalmente pioneiras em dispositivos de alta tensão de silício, foram aplicadas a protótipos de dispositivos de energia sic com graus variados de sucesso, incluindo anéis de proteção de dopante e metal sob medida. as tensões mais altas e os campos elétricos locais mais altos dos dispositivos de energia sic colocarão tensões maiores nas embalagens e nos materiais isolantes das bolachas, portanto, alguns dos materiais usados ​​para isolar / passivar os dispositivos de alta tensão podem não ser suficientes para uso confiável em alta tensão. dispositivos de tensão, especialmente se esses dispositivos forem operados em altas temperaturas....

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