2. Сравнение характеристик полупроводниковых материалов.

Подведем краткий итог всего рассмотренного материала. Карбид кремния и нитрид галлия – сложные в получении молекулы с ковалентной связью, обладающие отличными физическими свойствами. На их основе можно создавать вещества и их комбинации с p-n переходами, что является основным компонентом в устройстве транзисторов и диодов, столь важных и нужных для электроники.

Так в чем же заключается их особенность для электроники? Чтобы получить ответ на этот вопрос, нужно сравнить компоненты на их основе с другими популярными материалами. И первым из них, конечно, будет кремний.

У карбида кремния по сравнению с кремнием:

в несколько раз большая ширина запрещённой зоны;

в 10 раз большая электрическая прочность;

высокие допустимые рабочие температуры (до 600 °C, теоретически – до 1000°C);

теплопроводность в 3 раза больше, чем у кремния, и почти в 10 раз больше, чем у арсенида галлия;

устойчивость к воздействию радиации;

стабильность электрических характеристик при изменении температуры и отсутствие дрейфа параметров во времени.

наличие собственной (из того же материала) подложки большого размера

Казалось бы, куда более сложный технологический процесс получения карбида кремния делает из него пускай и хороший, но все же дорогой материал для производства полупроводниковой электроники, но его великолепные характеристики позволяют ему избавиться от большой, по сравнению с самим компонентом, упаковки, защищающей компонент от внешних воздействий. А высокая теплопроводность позволяет во многих случаях избавить от необходимости добавлять в электронный прибор отдельное охлаждение. В итоге во многих областях применения карбид кремния не только эффективнее кремния, но еще и дешевле его.

Т аблица 1. Сравнение характеристик некоторых полупроводниковых материалов.

Для GaN нет подложек из того же материала. Эпитаксиальные слои выращиваются из подложек сапфира и того же карбида кремния методом гетероэпитаксии. В результате плотность дислокаций пленок получается высокой. Дислокации в GaN расположены перпендикулярно и собираются в кластеры. Выращиваемый слой имеет ячеистую (зернистую) структуру, что приводит к увеличению токов утечки p-n структур и их деградации с течением времени. Все это затрудняет создание высоковольтных приборов на GaN. Да и по остальным характеристикам GaN не сильно превосходит SiC. А низкое время жизни носителей заряда и худшая теплопроводность вовсе делает SiC более перспективным материалом для создания электронных приборов.

Но на основе гетеропереходов GaN/AlGaN есть возможность создания, так называемых HEMT (High Electron Mobility Transistor/транзистор с высокой подвижностью электронов) транзисторов, превосходящих по параметрам транзисторы на основе объемного SiC. Поэтому сейчас трудно сказать какой из материалов выйдет в лидеры. Возможно, это будет их комбинация, так как лучшие HEMT транзисторы на основе GaN/AlGaN выражены на подложке из SiC.

3. Диоды на основе SiC и GaN.

Карбид кремния – материал с потрясающими характеристиками, но почему его применение началось только недавно? В середине 90-х казалось, что первым промышленно выпускаемым SiC-прибором будет выпрямительный диод. Высокие рабочие температуры, низкий ток утечки, большое быстродействие – все это обещало существенную экономию при замене SiC диодов кремниевыми.

Однако оказалось, что характеристики SiC диодов ухудшаются с течением времени и выражаются в увеличении токов утечки, снижении пробивного напряжения и увеличении прямого сопротивления. Исследования показали, что причина деградации – образование в пленках 4H- и 6H – SiC прослоек кубического SiC при протекании прямого тока. Это обусловлено тем, что энергия выделяемая при безызлучательной электронно-дырочной пары в SiC достаточна для преодоления атомом барьера, препятствующего его смещению в другое положение. Зародышем таких дефектов являются дислокации в объеме эпитаксиального слоя или на границе слой-подложка. Под действием прямого тока размеры дефектов быстро увеличиваются параллельно кристаллической оси углерода и при достижении границы p-n перехода наступает полная деградация прибора.

Первым промышленно выпускаемым прибором на основе SiC были светодиоды. При этом одна и та же технология изготовления светодиодов на основе разных политипов позволяла получить максимум излучения при различных значениях энергии. В определенной степени спектральное положение максимума зависело от легирования. Так, легирование 6H-SiC бором позволяло получить желтый цвет электролюминесценции. Собственный структурный дефект – зеленый и так далее. По мере совершенствования качества и чистоты материала остался только синий пик люминесценции, и в 80-е годы основанное внимание уделялось созданию синих SiC диодов. Интенсивность была слабой, но других светодиодов такого свечения не было.

После разработки технологии p-n структур на GaN и появления светодиодов и лазеров на их основе нитрид галлия оказался вне конкуренции по оптоэлектронным устройствам. Единственными оптоэлектронными приборами на основе SiC остались УФ-фотодетекторы. Благодаря большой ширине запрещенной зоны SiC почти не фоточувствителен в видимой области спектра и к тому же практически не деградирует с течением времени.

Проблема образования кубических дефектов не коснулась диодов Шоттки и полевых транзисторов, поскольку в них отсутствует электронно-дырочная рекомбинация. В итоге вторым промышленно выпускаемым прибором оказался диод Шоттки. Но созданию достаточно мощных проборов этого типа помешали дефекты, в этот раз подложки. В первую очередь присутствие в подложках так называемых «микротрубок». От их плотности зависело качество прибора и до создания качественных подложек создание качественных приборов было невозможно.

На сегодняшний день аналогов высоковольтным диодам Шоттки из карбида кремния просто нет. Наибольших успехов в этом достигла Американская компания, занимающаяся выпуском преимущественно силовой электроники, “Cree”. Рассмотрим один из продуктов, C3D04060E, диод Шоттки. В корпусе TO-252-2 помещается барьер Шоттки с напряжением пробоя 600 вольт, средним прямым током 13,5A, с током утечки 50 мкА при 600В и рабочими температурами от -55 до + 175 ^oC. И это – коммерчески доступный продукт, выпускаемый промышленно с 2009 года. На данный момент существуют экспериментальные диоды с напряжениями выше 1200 В и силой тока выше 150 A.

В общем, светодиоды на основе нитрида галлия полностью забрали себе нишу оптоэлектроники у карбида кремния, а карбид кремния применяется для производства, в основном, силовых диодов Шоттки. Улучшение качества подложек и устранение кубических дефектов позволит расширить номенклатуру диодов из карбида кремния в будущем.

Рисунок 10. График зависимости тока утечки I_R при обратном напряжении V_R для температур корпуса T_{J ­}у диода Шоттки C3D04060E_.