Abstract_15 молодёжная школа

15th Scientific Youth School

Physics and technology of microand nanosystems. Silicon Carbide and Related Materials

October 08 - 09, 2012

Saint-Petersburg

2012

15-я НАУЧНАЯ МОЛОДЕЖНАЯ ШКОЛА «ФИЗИКА И ТЕХНОЛОГИЯ МИКРО- И НАНОСИСТЕМ. КАРБИД КРЕМНИЯ И РОДСТВЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ»

Организационный комитет:

проф. Ю.М. Таиров, д.т.н., кафедра МНЭ, СПбГЭТУ - председатель, проф. В.А. Мошников, д.ф.-м.н., кафедра МНЭ, СПбГЭТУ – зам. председателя,

проф. А.Г. Забродский, д.ф.-м.н., член-корр. РАН, директор ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, проф. В.В. Лучинин, д.т.н., зав. кафедрой МНЭ, директор НОЦ «ЦМИД», СПбГЭТУ,

проф. А.В. Соломонов, д.ф.-м.н., декан факультета электроники, СПбГЭТУ, проф. Е.И. Теруков, д.т.н., зав. лабораторией ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, Лебедев А. А., д.ф.-м.н., с.н.с. ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, С.-Петербург, Prof. Yakimova R., Linköping University, Sweden,

Crippa D., Director Innovation at LPE, Italy, Prof. Kimoto T., Kyoto University, Japan, Schoner A., Acreo, Sweden.

Ученый секретарь конференции:

А.Н. Кривошеева, к.т.н., доцент каф. МНЭ СПбГЭТУ.

15-я научная молодежная школа приурочена к 9-й Европейской конференции «Карбид кремния и родственные материалы». Ее цель – развитие творческой активности студентов и аспирантов, сохранение и развитие единого научнообразовательного пространства, установление контактов между будущими коллегами. Тематика молодежной школы включает следующие основные разделы: карбид кремния – перспективный материал для приборов силовой электроники и приборов, работающих в экстремальных условиях; соединения А3N: технологии и структуры приборов оптоэлектроники и СВЧ электроники; графен: свойства, технологии, перспективы применения; процессы роста, структура поверхности, границы раздела фаз; гетероструктуры, квантовые ямы, нити, точки, сверхрешетки; дефекты и примеси; методы характеризации структур и материалов.

Школа проводится при поддержке Минобрнауки (Государственный контракт

№ 14.741.12.0360 от 24.08.2012 г.)

ДОСТИЖЕНИЕ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ЭНЕРГОВРЕМЕННЫХ ПАРАМЕТРОВ У МИКРОПРИБОРОВ НА ОСНОВЕ КАРБИДА КРЕМНИЯ

В.А. Ильин, В.В. Лучинин Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

Введение

В кристаллохимическом аспекте карбид кремния, как бинарное соединение на основе элементов IV группы периодической системы, характеризуется сильной ковалентно-ионной связью, отражением которой является энергетическая устойчивость SiC, проявляющаяся в высоких значениях энергии атомизации данного соединения. Для карбида кремния характерно высокое значение температуры Дебая, являющейся показателем устойчивости материала к внешним воздействиям, что проявляется в высоких значениях твердости, температуры плавления, химической, радиационной и лучевой стойкости SiC.

Анализируя карбид кремния как материал полупроводниковой электроники, следует особо выделить такие его качества, как относительную простоту инвертирования типа электропроводности (уровни легирования донорами и акцепторами более 1020 см-3), наличие у SiC собственного окисла и собственного маскирующего покрытия на основе углерода, а также изоструктурного изоэлектронного аналога в виде нитрида алюминия, являющегося широкозонным диэлектриком и имеющего с SiC прекрасную кристаллохимическую совместимость (несоответствие параметров решеток 1%). С точки зрения создания полупроводниковых приборов наиболее значимы широкая запрещенная зона SiC, варьирующая в интервале от 2.4 эВ до 3.3 эВ (в зависимости от политипа SiC), высокая теплопроводность (до 5 Вт/см·К), близкая к теплопроводности меди, рекордно высокие значения напряженности поля лавинного пробоя (до 2 МВ/см) и насыщенной скорости дрейфа электронов (2·107 см/с). Для карбида кремния также характерна люминесцентная активность во всем видимом спектральном диапазоне, вплоть до ультрафиолетового, высокая скорость распространения акустических волн и низкий коэффициент их затухания на сверхвысоких частотах.

С учетом ранее сказанного карбид кремния чрезвычайно перспективен для высокотемпературной сенсорики, силовой высоковольтной электроники, мощной высокочастотной электроники (Таблица 1).

3

4

К сожалению, такие достоинства карбида кремния, как устойчивость к химическому и термическому воздействию, высокая твердость (близкая к твердости алмаза) и, наряду с этим, высокая температура выращивания SiC, а также активность кристаллизационной среды при высоких температурах синтеза в отношении вхождения неконтролируемых примесей, затрудняют реализацию процессов управляемого выращивания и микрообработки материала, что длительное время отрицательно сказывалось на развитии карбидокремниевых приборных направлений.

Лишь острая потребность в создании устройств, работающих в экстремальных условиях (аэрокосмический комплекс, ядерная энергетика, добыча и переработка полезных ископаемых, химическая индустрия, автомобилестроение (табл. 2)), а также разработанный в ЛЭТИ (СПбГЭТУ) метод выращивания объемных монокристаллов полупроводникового карбида кремния определили с начала 90-х годов лавинообразный интерес к SiC.

Таблица 2

Особенности влияния элементной базы на карбиде кремния на конструктивно-технологические решения

при использовании технических средств нового поколения

МАССА И ГАБАРИТЫ

Отказ от специальных принудительных систем охлаждения, использование для охлаждения рабочих жидкостей (масло, топливо).

Уменьшение площади сечения проводников за счет повышения рабочих напряжений и уменьшения плотности тока.

Отказ от громоздких гидро- и пневмоприводов.

ЭНЕРГЕТИКА

Повышение КПД передачи и преобразования энергии за счет использования высоких напряжений.

Повышение экономичности работы энергетических установок (турбина, дизель, реактор) за счет локальных встроенных систем контроля.

Обеспечение возможности перераспределения энергии при переходе на локальные электрические приводы.

НАДЕЖНОСТЬ

Использование высоконадежной элементной базы.

Использование высокоэффективных локальных систем контроля движетелей, приводов, корпуса, оружия.

Переход к локальным исполнительным электрическим устройствам, сокращение количества гидравлических и пневматических исполнительных механизмов.

5

РЕМОНТОПРИГОДНОСТЬ

Уменьшение числа разнородных исполнительных систем (гидравлических, пневматических, механических).

Ликвидация ряда сквозных магистралей в исполнительных системах и средствах энергообеспечения, переход к распределенной архитектуре.

БЕЗОПАСНОСТЬ

Уменьшение числа или отказ от масляных пожароопасных систем. Использование высокоэффективных встроенных локальных систем

контроля.

СКРЫТНОСТЬ

Минимизация числа систем, создающих значительные акустические поля и выделяющих химические вещества (при переходе на полностью “электрические“ боевые технические средства).

КЛИМАТИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ

Использование высотемпературной элементной базы. Использование основных рабочих жидкостей (масло, топливо) в сис-

темах охлаждения электронных блоков.

РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ

Использование радиационностойкой элементной базы.

Эксплуатация элементной базы при повышенных температурах (самоотжиг радиационных дефектов).

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ

Использование элементной базы на основе широкозонных полупроводников, сочетающей электрические и оптические способы обработки, передачи и хранения информации.

СИСТЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ

Использование элементной базы с повышенными показателями “мощ- ность-частота”.

Использование высокотемпературных ориентационных датчиков (ФАР на корпусе) для непосредственной коррекции работы РЛС обнаружения.

Использование элементной базы повышенной надежности, устойчивой к электромагнитным и радиационным воздействиям.

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Использование элементной базы повышенной надежности. Использование комбинированной элементной базы, сочетающей элек-

трические и оптические принципы обработки информации.

6

ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

Использование высокоэффективных прецизионных, скоростных электрических приводов.

СРЕДСТВА ПОРАЖЕНИЯ

Использование в “системах питания” элементной базы с повышенными импульсно-энергетическими характеристиками (для оружия с электрической накачкой).

Использование контрольно-измерительной элементной базы для коррекции систем наведения (ФАР на корпусе).

Использование высокоэффективных прецизионных скоростных электроприводов.

Целью изложения далее представленного материала является показать, что среди других полупроводников карбид кремния имеет свою уникальную нишу, определяя возможность создания электронной компонентной базы с экстремальными энерговременными параметрами, обеспечивая возможность генерации и преобразования мощного высокочастотного и субнаносекундного электромагнитного излучения. Предметом рассмотрения являются:

миниатюрный высоковольтный твердотельный источник субнаносекундных импульсов; микро- и наноразмерные вакуумные автоэмиссионные диодные структуры

для гига-терагерцового диапазона частот

Высоковольтный миниатюрный карбидокремниевый источник наносекундных импульсов

Известны два основных подхода к генерированию мощных импульсов нано- и субнаносекундной длительности: в первом из них энергия накапливается в емкостных накопителях с последующей передачей через размыкающий ключ в нагрузку, а во втором – накопленная энергия в магнитном поле индуктивных элементов коммутируется в нагрузку через размыкающий ключ. Перспективным методом формирования импульсов высокого напряжения наносекундной длительности является использование дрейфовых диодов с резким восстановлением запирающих свойств (ДДРВ) в качестве полупроводникового размыкающего ключа в схеме генератора с индуктивным накопительным элементом. Впервые возможность формирования наносекундных импульсов с помощью кремниевого ДДРВ была продемонстрирована в [1]. Недостатком ДДРВ на основе Si является, с одной стороны, относительно невысокое быстродействие, связанное с ограничениями, определяемыми значениями критической напряженности поля лавинного пробоя в кремнии (Ес = 2.5·105 В/см) и скоростью насыщен-

7

ного дрейфа носителей заряда в этом материале (Vsat = 1.0·107 см/с), с другой – ограничениями по предельной плотности коммутируемого тока через структуру дрейфового диода. Так, для реализации высоковольтного режима работы кремниевого переключателя с напряжением 1500 В на одну диодную структуру, уровень донорной примеси Nd в n-базе диода не может превышать 1014 см−3, что на стадии обрыва тока соответствует максимальной плотности тока j = 160 A/см2 при дрейфовом выносе носителей из базовой области с насыщенной скоростью Vsat = 1·107 см/с. Отмеченные недостатки обусловлены фундаментальными ограничениями, определяемыми электрофизическими свойствами кремния, используемого для создания описанных выше диодов.

Дальнейшее улучшение функциональных параметров генераторов сверхкоротких импульсов (СКИ) связано с применением новых полупроводниковых материалов для ключевых элементов – размыкателей тока. Эффект сверхбыстрого обрыва тока наблюдался ранее на диодных структурах арсенид-галлиевых [2] и карбид-кремниевых [3] ДДРВ. По-видимому, именно карбид кремния на данном этапе является наиболее перспективным материалом для создания элементной базы высоковольтных мощных генераторов СКИ для микросистем. Действительно, ширина запрещенной зоны у политипа 4H-SiC равна 3.24 эВ, т. е. значительно больше, чем у кремния (1.12 эВ), и поэтому предельная рабочая температура (~ 500 °C) у 4H-SiC диодов, ограничиваемая скоростью тепловой генерации носителей заряда, примерно в три раза выше, чем у кремниевых аналогов. Скорость восстановления напряжения в фазе обрыва тока dU/dt является главным параметром ДДРВ:

(dU/dt)max = Ebr·vsat,

где Ebr – пробивная напряженность электрического поля, vsat – скорость насыщенного дрейфа носителей [4]. Напряженность поля пробоя SiC почти в девять раз больше напряженности поля пробоя в кремнии, а скорость насыщенного дрейфа носителей заряда больше в два раза, поэтому, на основании упрощенной оценки, полупроводниковые ключи на основе карбида кремния должны переключаться в ~ 18 раз быстрее кремниевых. Более высокая, чем у кремния, теплопроводность SiC, наряду с высокой рабочей температурой, должны обеспечить увеличение частоты следования импульсов в генераторах СКИ на основе 4H-SiC ДДРВ. Перечисленные преимущества SiC-диодов дают возможность исключить из схем генераторов СКИ используемые в настоящее время наиболее нестабильные элементы – лавинные обострители: диодные (SAS – Silicon Avalanche Shapers) или динисторы с быстрой ионизацией (FID – Fast Ionization Dynistor). В данной работе исследуются характеристики переключения 4H-SiC-диодов с резким восстановлением в схеме генератора наносекундных импульсов c субнаносекундным передним фронтом.

8

Результаты эксперимента

Исследуемые образцы ДДРВ представляли собой структуры n-+p-p+-типа с толщиной p-базы 15 мкм и уровнем легирования 7·1015 см-3. Толщина сильнолегированного p+ -слоя составляла 5 мкм с концентрацией 5·1019см-3. Оптимизация структуры диода проводилась с помощью пакета TCAD Synopsys. При моделировании учитывались эффекты неполной ионизации, сильной инжекции, сильного легирования, лавинной генерации.

Одним из важнейших параметров диода, предназначенного для работы в качестве быстродействующего ключа, является время жизни τ неравновесных носителей заряда в базе диода. Величина времени жизни инжектированных носителей должна быть достаточной для того, чтобы при короткой импульсной двухсторонней инжекции в диоде носители не успевали бы рекомбинировать до момента их выведения из базы при переключении. Измерение времени жизни проводилось по методу затухания постинжекционной ЭДС [5]. На рис. 1 представлена осциллограмма напряжения на одной из диодных структур при пропускании импульса прямого тока.

Рис. 1. Осциллограмма напряжения на 4H-SiC-диоде

Падение напряжения на диоде составило 3.2 В. Характерным на осциллограмме является линейный спад постинжекционной ЭДС за счет рекомбинации неосновных носителей в базе. На линейном участке скорость спада (∆V/∆t) обратно пропорциональна времени жизни носителей в базе:

V 2kT 1 , t q

9