CC BY
572Компоненты и технологии, № 8'2004 Компоненты
Полупроводниковые приборы на основе карбида кремния -
настоящее и будущее силовой электроники
Выдающиеся динамические характеристики, высокая рабочая температура и сверхнизкие потери проводимости полупроводников из карбида кремния выводят развитие элементной базы для силовой электроники на новый этап.
Александр Полищук
Таблица1
Состояние рынка приборов из карбида кремния
Всего лишь несколько лет назад карбид кремния стал рассматриваться в качестве материала для приборов силовой электроники, что стало возможным благодаря развитию технологии выращивания кристаллов требуемого размера в необходимых количествах. На сегодняшний день всего лишь две компании производят коммерчески доступные изделия из карбида кремния — диоды с барьером Шоттки (ДШ) в диапазоне рабочих напряжений 300-1200 В и токов 1-20 А на кристалл. Объем мирового рынка этих изделий оценивается в $4 млн в год и может вырасти более чем в 50 раз при условии значительного снижения их стоимости [1]. Это становится возможным уже сейчас, поскольку началось производство Б1С-подложек диаметром 7,5 см. Продукция компаний, производящих серийные полупроводниковые приборы Б1С, а также корпусирующих готовые кристаллы под своей торговой маркой, приведена в таблице 1 [2-5].
Выдающиеся динамические характеристики, высокая рабочая температура и сверхнизкие потери проводимости полупроводников из карбида кремния выводят развитие элементной базы для силовой электроники на новый этап. Например, уже сейчас применение диодов Шоттки на основе Э1С с напряжением 600 В совместно с кремниевыми полевыми транзисторами Соо1М0Б позволяет получить двукратный выигрыш по эффективности в преобразователях с жестким режимом переключения по сравнению с другими ключевыми прибо-
Компания Производство подложек БГС Продукция
CREE собственное ДШ 300...1200 В, 1...20 А, СВЧ БС МЕБРЕТ 2,7 ГГц, 10 Вт, светодиоды X = 455...535 нм
Infineon собственное ДШ 300...600В, 2...12А
Advanced Power Technology CREE ДШ 300...1200В, 1...10А, РТ ЮВТ+антипараллельный БС ДШ, Модули Соо1МОЗ™+ антипараллельные БЮ ДШ
IXYS Infineon Однофазные мостовые выпрямители на БС ДШ 600 В, 10 А, 16 А
рами [6]. Их применение в активных корректорах коэффициента мощности вместо кремниевых иЦТИАРАБТ-диодов также обеспечивает общее снижение потерь на 40-50%. Э1С ДШ с обратным напряжением 300 В с успехом вытесняют аналогичные ОаА8 ДШ, применяемые в выходных выпрямителях ключевых источников электропитания 48-60 В благодаря меньшим потерям и более высокой рабочей температуре. Э1С ДШ с обратным напряжением 1200 В идеально подходят для применения в качестве антипараллельных и рекуперацион-ных диодов для кремниевых ЮБТ-транзисторов. Начинается их промышленное использование и в БС/АС-инверторах систем регенеративного электропитания, базирующихся на солнечных батареях или топливных элементах.
Свойства и характеристики БЮ
Хотя существует около 170 известных политипов карбида кремния, пока только два из них доступны для серийного изготовления полупроводниковых приборов — это 4Н-Б1С и 6Н-Б1С. Политип 4Н-Б1С предпочтительнее для силовых полупроводников благодаря большей подвижности электронов. В таблице 2 приводится сравнение основных электронных свойств 4Н-Б1С с кремниевыми (Б1) и арсе-нидгалиевыми (ОаА8) полупроводниковыми материалами [7].
Ключевые преимущества полупроводниковых материалов Б1С в сравнении с Б1 и ОаА8 следующие:
• Напряженность электрического поля пробоя 4Н-Б1С более чем на порядок превышает соответствующие показатели у Б1 и ОаА8. Это приводит к значительному снижению сопротивления в открытом состоянии Иоп. На рис. 1 показана зависимость Иоп от напряжения пробоя кристалла. Можно видеть, что при напряжении 600 В Б1С-ди-од имеет Иоп«1,4 мОм-см2, ОаАв-диод — 6,5 мОм-см2, Б1-диод — Иоп>70 мОм-см2.
Малое удельное сопротивление в открытом состоянии в сочетании с высокой плотностью тока и теплопроводностью позволяет использовать
Компоненты и технологии, № 8'2004
Таблица 2
Наименование Si GaAs 4H-SÍC
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, X 0 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
Ron,
мОм-см2 10
у
Si /
\ /Г- aAs
/ / ! “
/ /
/ /
/
/ SiC
0 120 240 360 480 600 720 840 960 1080 1200
и„Р,в
Рис. 1. Зависимость Ron от пробивного напряжения
очень маленькие по размерам кристаллы для силовых приборов.
• Большая ширина запрещенной энергетической зоны является результатом более высокого барьера Шоттки по сравнению с 81 и ОаЛ8. В результате чрезвычайно малый ток утечки (менее 70 мкА при 200 °С) при повышенной температуре кристалла снижает термоэлектронную эмиссию за пределами барьера.
• Высокая теплопроводность 81С снижает тепловое сопротивление кристалла (по сравнению с 81-диодами — почти в два раза).
• Электронные свойства приборов на основе 81С очень стабильны во времени и слабо зависят от температуры, что обеспечивает высокую надежность изделий.
• Карбид кремния чрезвычайно устойчив к жесткой радиации, 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.
Силовые полупроводниковые приборы из карбида кремния
Диоды Шоттки
Как отмечалось выше, в настоящее время пока являются единственным коммерчески
Граница имплантации
Анод Барьер Шоттки
N- Эпитаксиальный слой
N+ подложка
доступным продуктом. Структура SiC-диода показана на рис. 2.
Для производства диодов используется политип 4H-SÍC с металлизацией барьера Шоттки никелем или титаном. Для снижения краевой концентрации поля на границе металлического контакта используется дополнительная имплантация атомами бора с последующим отжигом при температуре 1050 °С в течение 90 минут. Высота барьера Шоттки при металлизации Ti и Ni составляет 0,8 В и 1,3 В соответственно. Более низкий барьер позволяет получить меньшее прямое падение напряжения, но при этом возрастает обратный ток утечки. Таким образом, для получения высоковольтных (более 1500 В) диодов перспективно использование металлизации никелем, для низковольтных — титаном. На рис. 3 показаны прямая и обратная вольт-амперные характеристики для диода, имеющего Ni-металлизированный барьер Шоттки и эпитаксиальный слой толщиной 50 мкм [8].
Этот диод имеет диаметр кристалла 425 мкм, максимальное обратное напряжение 4,9 кВ и удельное сопротивление в открытом состоянии 43 мОм-см2. Компания Cree Research представила диод Шоттки с максимальным обратным напряжением 10 кВ и прямым падением напряжения 3,7 В при плотности тока 100 А/см2. Таким образом, использование карбида кремния в ближайшей перспективе позволит решить проблему создания высокоскоростных высоковольтных выпрямителей на большие токи взамен громоздких низкоэффективных кремниевых столбов.
На рис. 4 показана типовая зависимость прямого падения напряжения от тока при различных температурах серийно выпускаемых диодов на основе Si и SiC.
Поскольку с ростом температуры у карбида кремния снижается подвижность электронов и повышается удельное сопротивление в открытом состоянии, прямое падение напряжения, в отличие от кремниевых диодов, имеет положительный температурный коэффициент.
При Tj=25 °С прямое падение у карбид-кремниевых диодов ниже, чем у кремниевых.
0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,4 2,7 3
и„Р,в
Рис. 4. Зависимость прямого падения напряжения от прямого тока при различных температурах
С повышением температуры до Тр50...70 °С величины падений напряжения при характеристическом токе становятся приблизительно одинаковыми. Однако положительный температурный коэффициент имеет важное достоинство: появляется возможность параллельного включения любого количества кристаллов без дополнительных мер по выравниванию токов. С учетом малых по сравнению с кремниевыми диодами размеров кристаллов 81С-диодов, возможно изготовление мощных высоковольтных сборок в малогабаритных корпусах.
В отличие от рп-диодов, выключение р1п-диодов Шоттки не сопровождается процессом рассасывания заряда в п-области и ток обратного восстановления отсутствует. Существует лишь незначительный ток заряда емкости перехода. Поэтому по аналогии с зарядом обратного восстановления Qrr рп-диодов вводят понятие емкостного заряда Qc ргп-ди-одов Шоттки. На рис. 5 показаны зависимости
Q, нКл 180
162 1 и 126 108 90 72 54 36 18 О
1>гг і І-ДИ ода
/
/ Qc S¡C-j ЧИО f. а
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
di/dt.
Рис. 5. Зависимость заряда обратного А/мкс восстановления Qrr Si-диода и емкостного заряда Qc SiC-диода от di/dt
Рис. 2. SiC-диод Шоттки о Катод
Компоненты и технологии, № S'2004
Таблица 3. Высоковольтные SiC-диоды от Cree Inc. ZERO RECOVERY
160 144 128 112 96 80 64 48 32 16 Іобр , мкА /у
/
/ /
Т = 75' ч /
/у
/ Т = 2 5 °С
/ /
/
//
/ Uo6 ?, в
w0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Рис. 7. 0братная ВАХ SiC-диода Шоттки CSD20l20D
Наименование CSD04060A CSD04060D CSD04060E CSD06060A CSD06060D CSD06060G CSD10060A CSD10060D CSD10060E CSD20060D CSD05120A CSD10120A CSD10120D CSD20120D
и о иобр макс, 0 боо боо боо боо 12оо 12оо 12оо
1пост, А 4 б 1о 2о б 1о 2о
U„p, В l,5 1,6 1,5 1,5 1,6 1,6 1,6
Собр- пФ 2о 3о бо бо 33 33 б9
Типы корпусов Т022о-2 Т022о-3 DPAK D2PAK Т022С'-2 Т022С'-3 D2PAK ТО22о-2 ТО22о-3 TO247-3 ТО22о-2 ТО22о-2 TO247-3 TO247-3
зарядов Qrr и Qc от скорости спада тока через диод.
Можно видеть, что величина емкостного заряда практически не зависит от di/dt, в то время как заряд обратного восстановления увеличивается, и соответственно растут потери на высоких частотах.
На рис. 6 показаны осциллограммы токов, протекающих через SiC и Si-диоды при их выключении.
Ток через SiC-диод Шоттки имеет характер слабого переходного процесса, амплитуда которого не зависит от температуры, в то время как у ультрабыстрого pn-диода наблюдается ярко выраженный эффект обратного восстановления, причем амплитуда тока и временной интервал его протекания имеют существенную температурную зависимость.
В настоящее время одним из лидеров в производстве кристаллов карбида кремния для компонентов силовой электроники является компания Cree Inc. Номенклатура высоковольтных (600-1200 В) диодов Шоттки ZERO RECOVERY производства Cree Inc. приведена в таблице 3.
Необходимо отметить, что в отличие от Si-диодов, у SiC-диодов Шоттки величина иобр макс не является напряжением пробоя перехода, иногда ее называют «блокирующим напряжением». При этом значении обычно нормируется обратный ток утечки 1обр. Зависимость 1обр от иобр для диода CSD20120D показана на рис. 7.
При этом хорошо видно, что при напряжении 1500 В и Tj=175 °С ток утечки возрастает с 20 до 80 мкА. Это обеспечивает высокую перегрузочную способность SiC-диодов по обратному напряжению.
Ключевые БЮ МОБРЕТ
В настоящее время силовые ключевые приборы имеют фундаментальное ограничение на рабочее напряжение, обусловленное низкой пробивной напряженностью электрического поля полупроводникового кремния. По сравнению с $1, у карбида кремния более чем в 10 раз выше пробивная напряженность поля и в 400 раз ниже удельное сопротивление в открытом состоянии, что делает его «идеальным» материалом для силовых полупроводников. Хотя на сегодняшний день пока нет коммерчески доступных ключевых SiC-транзисторов, ряд компаний и научных центров разрабатывает и демонстрирует образцы таких приборов. По разным оценкам, появление первых серийных транзисторов можно ожидать уже в ближайшие 1-3 года.
и#-™»’ . — затвор поликристаллический
исток БЮг о кремний
Ni контакт'
Рис. 8. Ключевой транзистор SiC DMOS
Структурно можно выделить несколько типов MOSFET — это DMOS, UMOS и JFET. DMOS — Double-implanted MOS (рис. 8) — аналогичен кремниевому double-Diffused MOS, у которого области P базы и N+ истока получают путем ионной имплантации.
В этих приборах положительное смещение на затворе из поликристаллического кремния создает инверсный слой на границе раздела между SiO2 и SiC P-типа. Электроны протекают из N+ истока через инверсный слой в N- область дрейфа и затем в N+ подложку (сток). Толстая примесная N- область
AI
затвор сток
поликристаллический о Ni
кремнии
/SiOo
П_
о Г-1_
область
Изолированная 4Н-5іС-подложка
Рис. 9. Транзистор SiC LDMOS
необходима для обеспечения высокой электропрочности прибора в закрытом состоянии. Максимальное рабочее напряжение транзистора будет определяться толщиной области дрейфа и концентрацией примеси в ней. Поскольку максимальная толщина эпитаксиального слоя коммерчески доступных SiC-подложек не превышает 10 мкм, напряжение ограничивается величиной 1600 В. Один из путей его повышения — использование горизонтальной структуры или LDMOS (Lateral DMOSFET, рис. 9).
В структуре создается обедненная область, которая в закрытом состоянии транзистора при увеличении потенциала также увеличивается и, достигнув изолированной подложки, продолжает распространяться в сторону стока, блокируя приложенное между стоком и истоком напряжение. В этом транзисторе максимальное напряжение не зависит от толщины эпитаксиального слоя и ограничивается только уровнем начала поверхностного электрического пробоя между электродами. В образцах LDMOSFET (Cree Inc.) достигнут уровень максимального напряжения 10 кВ.
Для снижения удельного сопротивления в открытом состоянии у транзисторов UMOS затвор выполняется в форме U-образной «канавки» («trench-gate», рис. 10).
На рисунке показаны диаграммы распределения электрического поля в рп-переходе и на MOS-структуре. Можно видеть, что в области оксидной изоляции затвора наблюдается скачок потенциала, превышающий пиковую напряженность поля в полупроводнике в 2,5 раза. Это приводит к необратимым пробоям в транзисторе и накладывает основное ограничение на величину рабочего напряжения. Решение этой проблемы предложено исследовательским центром Purdue University WBG Research Group [9]. Была создана структура с так называемой «интегральной защитой», которая ограничила напряженность поля в оксидном слое затвора и одновременно снизила удельное сопротивление в открытом состоянии (рис. 11).
Компоненты и технологии, № 8'2004
В прибор введена дополнительная область Р-типа, расположенная под «канавкой» затвора, позволяющая снизить напряженность поля на границе раздела «оксид — полупроводник» до нуля, защищая тем самым оксид от пробоя в закрытом состоянии. Дополнительный эпитаксиальный слой под Р-базой предотвращает отсечку канала проводимости в открытом состоянии и способствует протеканию тока в область дрейфа. Прибор также содержит обогащенный N- эпитаксиальный слой, выращенный на боковой стенке «канавки». Этот слой превращает прибор в так называемый «MOSFET с обогащенным слоем» — accumulation-layer MOSFET или ACCUFET, у которого увеличена подвижность электронов и одновременно снижено удельное сопротивление в открытом состоянии. Полученные образцы ACCUFET обеспечивают максимальное напряжение 1400 В, удельное сопротивление 15,7 мОм-см2 и добротность 125 МВт/см2, что в 25 раз превышает теоретический предел для кремниевых MOSFET.
исток
п+
затвор
исток
п+
Рассмотренные приборы имеют высокую, но пока недостаточную степень готовности для начала серийного производства. В отличие от МОББЕТ, полевые транзисторы с управляющим рп-переходом и каналом р-типа (ІБЕТ-транзисторы, рис. 12) отработаны до уровня начала серийного производства, и появление их на рынке силовых полупроводников можно ожидать в ближайшее время.
Транзисторы обеспечивают сверхвысокое быстродействие (более 100 кВ/мкс), удельное сопротивление в открытом состоянии 5-60 мОм-см2, максимальное рабочее напряжение до 14 кВ (доступны для серийного производства приборы с исимакс < 4 кВ), плотность тока до 1000 А/см2. Недостатком ІБЕТ является то, что при пулевом напряжении на затворе транзистор полностью открыт. Свободна от этого недостатка каскодная схема, состоящая из высоковольтного БІС ІБЕТ и низковольтного БІ МОББЕТ. Такой гибридный прибор управляется как обычный МОБ-БЕТ, при этом обеспечивает значительно более низкое сопротивление в открытом состоянии и высокое рабочее напряжение. На рис. 13 показана схема каскода и фотографии опытных образцов, разработанных исследовательским центром БІСЕБ (Siemens АО) и скорпусированных фирмами IXYS и БЕМЖИОЫ на базе кристаллов, произведенных компанией Іпйпеоп.
На рис. 14 показан сравнительный график зависимости плотности тока и прямого падения напряжения от удельного сопротивления в открытом состоянии для транзисторов на основе БІС и БІ.
Можно видеть, что БІС ІБЕТ с напряжением 3,3 кВ имеет потери проводимости ниже, чем БІ СооІМОБ с напряжением 600 В.
Для построения высоковольтных ключей можно использовать схему «суперкаско-да» — линейку из последовательно включенных транзисторов БІС ІБЕТ и управляющего низковольтного БІ МОББЕТ, как показано нарис. 15.
В открытом состоянии на затвор VT5 подается положительное напряжение, превышающее пороговый уровень. При этом БІС ІБЕТ находятся в нормально открытом состоянии и эквивалентны резисторам, включенным последовательно с БІ МОББЕТ. При подаче на затвор нулевого напряжения VT5 закрывается и напряжение на затворе
9 сток VT1
&
VT2 --
AVD1
VT3 -Д VD2
&
"Мі
VT5
чГ
Гибридный модуль Ucn = 9 кВ,
™ ^ ,30 М __* jвпы
Корпусировани компанией 5clVllllK0N
VD3
затвор
—о
VTn Uси макс, В
VT1 1500
VT2 3000
VT3 3000
VT4 3000
VT5 55
о исток
Рис. 15. Каскодный ключ 9 кВ, 1,3 Ом из SiC JFET с U=3 кВ и Si MOSFET Уги=55 Ом
VT4 (отрицательное относительно его стока) начинает увеличиваться. Когда оно достигает величины напряжения отсечки, VT4 закрывается и далее происходит лавинный процесс запирания остальных 1РЕТ-ключей Нарис. 16 и 17 показаны осциллограммы напряжения и тока при открывании и закрывании ключа при работе на индуктивную нагрузку.
Скорость переключения такого каскода превышает 80 кВ/мкс. Можно вычислить динамические потери при жестком переключении, приняв время нарастания и спада тока приблизительно равными:
ц£х**х/„,
р =-
(1)
При і^ = 8 А, = 8 кВ, V = 80 кВ/мкс,
Р5„ = 6,4 х I0-3 х (2)
мощность — в ваттах, частота — в герцах. Полученная величина практически совпадает со значением, полученным для ключа из 10 последовательно соединенных БІ МОББЕТ с иси = 1000 В, при этом у последнего сопротивление в открытом состоянии будет более чем в 30 раз выше, а управление затворами потребует сложной высокопотенциальной схемы с гальванической развязкой каждого из 10 каналов.
В таблице 4 приведены характеристики БІС-приборов, достигнутые на начало 2004 года [10].
Рис. 13. Каскодная схема с высоковольтным SiC JFET и низковольтным Si MOSFET
J, А/см2 600 ■
0 25 50 75 100
Ron, мОм-см2
Рис. 14. Зависимость плотности тока и прямого падения напряжения от удельного сопротивления в открытом состоянии для транзисторов SiC и Si
Компоненты и технологии, № S'2004
l,A и, кВ
8 ” 8
< 1 *
6 - 6
4 4
2 - 2
J
0 200 400 600 800
НС
Рис. 16. Осциллограмма напряжения и тока
на каскодном ключе при выключении
Таблица 4. Характеристики SiC-приборов на начало 2004 года
U, кВ
1, А
8 8
6 ► 6
4 - 4
2 ■ 2
0 200 400 600 800 t, НС
Рис. 17. Осциллограмма напряжения и тока
на каскодном ключе при включении
Изделие Блокирующее напряжение Ub, кВ Удельное сопротивление в открытом состоянии Ron, мОм-см2 (ипр, В) Добротность, Ub2/SwRon, МВт/см2 Разработчик
4Н-Диод Шоттки 4,9 43 558 Purdue Univ.
4Н-Диод Шоттки 10,8 97 1202 Rutgers Univ.
4Н-Диод Шоттки 10,0 3,7 В@100 А/см2 - Cree Inc.
4Н-Диод Шоттки 19,2 7,5 В@100 А/см2 - Kansai EP/Cree
4H-UMOSFET 3,0б 121 77 Purdue Univ.
4H-UMOSFET 5,05 105 243 Purdue Univ.
4H-DMOSFET 7,0 189 259 Cree Inc.
4H-DMOSFET 10,0 123 813 Cree Inc.
4H-JFET 5,5 218 139 Kansai EP/Cree
4H-TI-JFET 11,0 168 720 Rutgers Univ.
4H-JFET 3,5 25 490 SiCED
4Н-биполярный транзистор 9,28 49 1759 Rutgers Univ.
4Н-тиристор 3,1 4,79В@12А 62кВт Cree Inc.
Приборы из карбида кремния для жестких условий эксплуатации
Как уже отмечалось выше, высокая рабочая температура и радиационная стойкость делают карбид кремния практически незаменимым материалом для разработки полупроводниковых приборов, работающих в жестких условиях эксплуатации, в частности для военного и космического применения.
Одно из наиболее важных направлений — создание высокотемпературных полупроводниковых приборов. Так, объем рынка высокотемпературной электроники в 2003 году составил $400 млн и по прогнозам увеличится до $900 млн к 2008. Это заставляет разработчиков полупроводниковых приборов интенсивно вести исследования в области 8& технологий.
Для максимального использования температурных характеристик 8^ прежде всего требуется решить проблему получения надежного электрического контакта. Связано это с тем, что при температуре свыше 500 °С металлизация контакта сильно деградирует из-за взаимной диффузии между слоями, окисления контакта и композиционных и микроструктурных изменений на границе раздела «металл — полупроводник». Это приводит к выходу прибора из строя. Вакуумирование полупроводника в специальном корпусе многократно увеличивает его стоимость, габариты и массу, делая непригодным к широкому применению.
Ron Ю-4 Омсм2
Рис. 18. Изменение удельного сопротивления контакта Б1С эпитаксиального слоя во времени при температуре 500 °С
Одним из решений указанной проблемы служит использование многослойной металлизации, предложенной исследовательским центром NASA Glenn Research Center [11]. Применение трехслойной металлизации Ti (100 нм)Л^2 (200 нм)^ (300 нм) политипа 6H-SÍC позволило добиться температурной стабильности ВАХ и омического сопротивления контакта на воздухе в течение более 600 часов при 500 °С (рис. 18).
Особенностью такого контакта является то, что первоначальное окисление кремния создает механизм образования критического диффузионного барьера, предотвращающего дальнейшее проникновение кислорода в слой металлизации. Это открывает перспективы создания высокотемпературных полупроводниковых приборов в более экономичных корпусах либо в бескорпусном исполнении.
Другим важным направлением является создание интегральных схем на SiC. Наибольший интерес представляет технология SiC CMOS, обеспечивающая низкую потребляемую мощность, высокую радиационную и тепловую стойкость.
Первая интегральная схема SiC CMOS была представлена компанией Cree Research в 1996 году, однако проблемы, связанные с высоким пороговым напряжением транзисторов P-MOSFET, не позволили использовать данную технологию для серийного производства. В настоящее время разработан но-
вый технологический процесс, позволивший решить указанную проблему и получить образцы со стандартными уровнями напряжения питания и сигналов [12]. На рис. 19 показан фрагмент цифровой интегральной схемы SiC, работающей в температурном диапазоне от -55 до +300 °С.
Она содержит различные логические схемы, такие, как дифференциальные усилители (A), сумматор по модулю 2 (B), инверторы (C), триггеры (D), И-НЕ, ИЛИ-НЕ (E), исключающее ИЛИ (F), MOS-конденсаторы, диоды, MOSFET (G), автогенераторы (H). Микросхема имеет напряжение питания в диапазоне 5-15 В.
Исследовательский центр NASA Glenn Research Center продемонстрировал логический элемент ИЛИ-НЕ, состоящий из двух JFET-транзисторов и резистора, работающий при температуре 600 °С [13]. Основная область применения подобных приборов — авиационная техника, в частности электроника для турбогенераторов.
В заключение хотелось бы отметить, что несмотря на традиционную ориентацию российской электронной промышленности на рынок компонентов для промышленного и военного применения, появление отечественных технологий в области SiC-полупроводников скорее всего не предвидится из-за нехватки финансирования отрасли. В то же время в петербургском физико-техническом институте им. Иоффе уже несколько лет над технологией карбида кремния успешно работает команда русских ученых, однако результаты исследований, согласно контракту, принадлежат исключительно компании Cree Research.
Компоненты и технологии, № 8'2004
Литература
1. Dietrich Stephani. The Industrial Utilization of SiC Power Devices — Aspects and Prospects. SiCED Electronics Development GmbH & Co. Germany
2. www.cree.com
3. www.infineon.com
4. www.advancedpower.com
5. www.ixys.com
6. А. Полищук. Проблемы выбора ключевых транзисторов для преобразователей с жестким переключением // Компоненты и технологии: Силовая электроника. № 2'2004.
7. P. G. Neudeck. Progress Towards High Temperature, High Power SiC Devices // in Institute of Physics Conference Series. No. 141. Compound Semiconductors 1994. Bristol, UK: IOP Publishing. 1995.
8. H. M. McGlothlin, D. T. Morisette, J. A. Cooper. 4kV Silicon Carbide Schottky Diodes for High-Frequency Switching Applications / IEEE Device Research Conf. Santa Barbara, USA. June 1999.
9. J. Tan, J. A. Cooper, Jr., M. R. Melloch. High-Voltage Accumulation-Layer UMOSFETs in 4H-SiC / IEEE Electron Device Lett. 19, 487, 1998.
10. Best Reported WBG Power Device Performance / Purdue University WBG Research Group. June 2004.
11. R. S. Okojie. Thermally Stable Ohmic Contacts on Silicon Carbide developed for High-Temperature Sensors and Electronics / NASA Glenn Research Center.
12. S. Ryu, K. T. Kornegay, J. A. Cooper, Jr., M. R. Melloch. Digital CMOS ICs in 6H-SiC Operation on 5V Power Supply / IEEE Trans. on Electron Device. 1998.
13. P. G. Neudeck. Silicon Carbide Junction Field Effect Transistor Digital Logic Gates Demonstrated at 600 °C / NASA Glenn Research Center.
