Диоды и транзисторы на основе SiC и GaN. гр. 9802 Попов А.П

ЗАДАНИЕ НА РЕФЕРАТ

Студент Попов А. П.

Группа 9802

Тема реферата: Диоды и транзисторы на основе SiC и GaN

Предполагаемый объем реферата:

Не менее 20 страниц

2

АННОТАЦИЯ

Цель данного реферата – рассмотреть современные способы производства диодов и транзисторов на основе SiC и GaN, их применение, преимущество и недостатки в сравнении с другими материалами.

3

СОДЕРЖАНИЕ

4

ВВЕДЕНИЕ.

В современном мире электронная техника и ЭВМ является неотъемлемой частью общества. Разработка и внедрение ЭВМ во многом лежит на плечах разработчиков электронной аппаратуры. Для обеспечения работоспособности и экономической целесообразности производства сложной многофункциональной электронной аппаратуры, разработчикам электронных устройств постоянно приходится решать три основные задачи:

1. Уменьшение габаритных размеров.

Уменьшение габаритных размеров не является самоцелью. Это необходимость, которая позволяет увечить площадь упаковки электронных компонентов, а соответственно и количество функций устройства, и скорость исполнения этих функций. На данный момент человечество приближается к менее чем нанометровым технологическим процессам. К примеру, привычные процессоры для пользовательских ПК уже создаются на нано транзисторах размером в 7 нм каждый.

2. Повышение надежности и улучшение характеристик.

Экономически нецелесообразно использовать электронику, быстро выходящую из строя в нормальном режиме работы или не способную работать в тяжелых условиях. Материалы, исследуемые в данном реферате, в первую очередь решают эту проблему.

3.Снижение трудоемкости изготовления.

Азначит, и увеличение доступности ЭВМ. К примеру, переключение

«цельных» сборок на модульное производство позволило рассредоточить производство отдельных модулей электроники и удешевить его производство.

Главным путем решения этих проблем является использование новых материалов, создание новых технологических процессов и технологий в общем.

Диоды и транзисторы на основе Карбида кремния (SiC) и Нитрида Галлия

(GaN), а также частично упомянутые в этом реферате подложки на их основе и прочие технологии на основе этих материалов являются перспективным путем решения как новых проблем, так и уже решенных. Конкретные методы и

5

перспективы решения актуальных проблем электротехники с помощью SiC и GaN будут рассказаны далее.

КРАТКАЯ ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА

1.1. Первые упоминания о SiC и GaN

Первое доказанное упоминание Карбида Кремния (SiC) относится к патенту Эдварда Гудрич Ачесона, американского химика, запатентовавшего получение порошкообразного Карбида Кремния в печи, получившей его имя

«Печь Ачесона». Изначально этот технологический процесс позволял лишь получать твердый абразивный порошок с кристаллами размеров до 10*10*3 мм и примесями 1021 см-3. Печь Ачесона используется в получение синтетического порошкообразного карбида кремния и по сей день.

Иронично, но открытие синтетического карбида кремния наложило сомнение на открытие его природного аналога. Природный карбид кремния был обнаружен 1893 году, незадолго после регистрации патента получения абразивного порошка, который на тот момент уже использовался в пилах.

Природный SiC был обнаружен в виде небольших шестиугольных пластинчатых включений в метеорите Каньон Диабло, в Аризоне,

Фердинандом Анри Муассаном. В честь него в 1905 природный карбид кремния был назван Муассанитом. Но так как используемая в ходе исследования пила содержала SiC в виде абразивного напыления, вопрос о открытии Муассанита изначально оспаривался. Несмотря на то, что карбид кремния используемый в ювелирных изделий получен синтетически, его также называют Муассанитом.

Использование карбида кремния в качестве абразивного порошка подразумевает его высокую твердость. Его твердость занимает третье место из всех известных молекул. Поэтому изначально карбид кремния нашел свое применение только как абразив. Он обладает и многими другими важными для

6

науки свойствами, но далее все не связанные с электротехникой открытия будут опущены.

Первые работы по исследованию GaN проводились в Принстонском университете США в 30–40-х годах 20 века. Когда GaN стал рассматриваться как самый перспективный материал для создания полупроводниковых светодиодов в коротковолновой области спектра, исследования были продолжены в лаборатории компании Radio Corporation of America (RCA). Для получения данного материала использовали реакцию аммиака с жидким галлием, протекающую при повышенной температуре. В качестве подложки для выращивания структур GaN выбрали сапфир. Исследование выращенных пленок показало, что без легирования они обладают проводимостью n-типа, а

для получения p-n-перехода требовалось подобрать соответствующую примесь,

позволяющую получить материал p-типа. В качестве такой примеси использовали цинк, но технологическая сложность состояла в том, что при высоких концентрациях цинка пленки GaN становились диэлектриками. О

важности и устройстве p-n переходов будут рассказано в соответствующем разделе реферата.

1.2.Первые опыты на SiC

В1907 Генри Джозеф Раунд наблюдал свечение при прохождении тока через кристалл SiC. На катоде наблюдалось желтое, зеленое и оранжевое излучение. Данный эксперимент можно считать созданием первого в мире светодиода.

7

Рисунок 1. Повторение эксперимента Раунда

С 1923 по 1940 Олег Владимирович Лосев, советский ученый, в ходе серий экспериментов над Карбидом Кремния установил множество важных свойств и сделал некоторые открытия. Он установил, что один из типов свечения связан с наличием на поверхности кристалла особого «активного слоя». Позже он показал, что проводимость этого слоя – электронная (n), а

проводимость объема образца – дырочная (p). Он также установил связь между выпрямлением и электролюминесценцией. Кроме того, он наблюдал изменение цвета свечения при увеличении плотности тока через кристалл.

Таким образом, два важнейших для полупроводниковой электроники явления – электролюминесценция и выпрямительные свойства p – n структур -

впервые были обнаружены на кристаллах SiC. Но в то время в радиотехнической промышленности широко применялись электровакуумные приборы, и эти открытия остались незамеченными.

Забегая вперед в истории и в другие разделы реферата, отметим достижения университета СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в исследования Карбида Кремния.

8

ВСПбГЭТУ «ЛЭТИ»:

•впервые экспериментально показана возможность создания фотоприёмных устройств ультрафиолетового диапазона на основе нанопористого SiC

•освоен экспериментальный выпуск 6H и 4H-SiC подложек диметром 50-75 мм

•обнаружен и исследован устойчивый, обратимый ростовый структурный изоморфизм в системе SiC-AlN

На этом историю открытия Карбида Кремния можно считать оконченной,

так как дальнейшие открытия лучше рассматривать со стороны способов получения Карбида Кремния.

1.3.Опыты на GaN и история открытий.

Вначале семидесятых годов в лаборатории RCA были получены структуры металл–диэлектрик–полупроводник (МДП), в которых наблюдалась электролюминесценция голубого (с длиной волны 475 нм) и зеленого цвета свечения. Эти МДП-структуры стали первыми светодиодами на основе GaN.

Вдальнейшем технологи заменили цинк магнием. В результате удалось получить структуру, излучающую свет в голубом и фиолетовом (с длиной волны 430 нм) диапазонах. К сожалению, такие светодиоды обладали очень низким квантовым выходом и эффективностью, поэтому работы по GaN были приостановлены почти на десять лет.

В80-х годах XX в. работ по GaN в Европе и США практически не было.

Но их продолжали вести исследователи в Советском Союзе и Японии. В начале

80-х приоритетными были работы исследователей МГУ им. М. В. Ломоносова Г. В. Сапарина и М. В. Чукичева по активации люминесценции в GaN,

проводившиеся на физическом факультете, и работы исследовательской группы В. Г. Сидорова в Ленинградском политехническом институте (ныне Санкт-

Петербургский технический университет)

9

Японским исследователям из университета Нагойи под руководством профессора Исаму Акасаки в конце 80-х гг. удалось получить светодиод на основе GaN со слоем p-типа. Стойкие акцепторы магния активировались при облучении структур GaN электронным пучком; возможность этого в GaN-

структурах с акцепторами цинка показали в своих работах исследователи из МГУ в начале десятилетия. Дополнительное легирование p-слоя GaN позволяет улучшать эффективность активации глубоких акцепторов. Этот прорыв открыл дорогу к использованию GaN-структур с p-n-переходом в оптоэлектронике, да и в электронике в целом.

Дальнейшая история GaN касается наших дней и поражает перспективами развития. Заголовки журналов по электронике пестрят самыми разными заявлениями: «Эра безкремниевой электроники», «Нитрид Галия способ жить в человеческом теле», «Зарядные устройства на Нитриде Галлия»,

«Замена Кремнию» и так далее. Пускай такие заголовки не всегда близки к действительности, точно можно сказать, что самый важный виток в развитии электроники для этого материала только начинается в наше время.

2. CОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ SiC и GaN

2.1. Методы получения SiC

Впервую очередь стоит снова упомянуть, что печь Ачесона до сих пор используется для получения абразивного порошка Карбида Кремния. Но очевидно, этот метод не применим в производстве электроники.

В1955 году Ян Энтони Лели из «Philips Electronics» подал патент на сублимационный метод получения кристаллов Карбида Кремния, который теперь называется «методом Лели». Монокристаллы SiC в таком процессе выращивались в результате перегонки SiC из более горячих в более холодные области реактора. Порошок карбида кремния загружают в графитовый тигель,

который продувают газообразным аргоном и нагревают примерно до 2500 ° C.

10