假设总是危险的,但有一个合理安全的假设你可以对我们的IC-related主题:底层硅材料是最有可能的。硅占主导地位,其他被认为是边缘或精品店。
但是如果你睁大眼睛在技术会议,这个短语“宽禁带材料”越来越明显,两种化合物,GaN和原文如此,主导讨论。这两种物质分别对待,在隔离,在会议或文章或论文。这没有回答明显的大问题:为什么两种材料吗?他们与或互补竞争吗?和其他有宽禁带材料的可能性么?在一个更基本的层面上,我们为什么要这样做呢?
基于一些Synopsys对此TCAD通讯的文章中,我能够跟进他们的Ric博尔赫斯帮助合成所有的位高级的感觉发生了什么。我们将从材料本身——它们是什么以及它们是如何使之前,看他们是如何使用的。
第一次审查。一个经验法则我是半导体材料必须平均硅元素周期表列一样。当然,锗是一行高(“更高的”意思原子大小或重量);低碳是一种,而是因为这四个外层电子是一个低于硅和“壳”,因此,更紧密地绑定到原子核,电子不释放与硅像他们那样容易。
砷化镓,其他旧备用两种材料在相同的行,但高于和低于硅的一列,分别——平均一样的硅。因为他们的外乐队有三个和五个电子,分别,他们有时被称为III / V材料。
更新的物质有相似的特征。硅和碳共享相同的列,正如我们所看到的。氮化镓是一种III / V材料如砷化镓;氮恰好是几行从砷。
这两种材料的理想的特性是,他们有一个更广泛的比硅能带。SiC(更好的被你工业类型称为金刚砂,长珍贵材料的硬度)有多种结构(称为“多型体”)有带隙范围从2.36到3.23 eV。而所谓的6小时多型的,能带的3.05 eV,已经使用在过去,它已经失去了地面4 h多型的,能带的3.23 eV。与此同时,氮化镓的能带隙3.4 eV。很明显,这些都比较顺利地和硅1.12 eV。因此,他们都可以维持电压远高于硅,使他们有吸引力——惊喜——高压电力应用程序。
他们制造的两种材料有很大的不同。SiC可以生长在散装锭由于开发一种生成碳化硅晶种;升华可以用来种植锭(SiC显然不会融化……)。现在100毫米晶圆是可用的,150毫米晶圆的到来。因为整个晶片可以原文如此,您可以构建两个水平(MOSFET)和垂直(IGBT)设备,这取决于设备层的厚度增加。
相比之下,甘必须种植在其他衬底(pseudo-GaN衬底上存在,但它是昂贵的)。还可以使用蓝宝石是传统,但原文如此。最近,硅衬底变得可行,允许更便宜、更大的晶圆。
事实上,氮化镓生长的不同材料界面创建一个晶格失配,导致缺陷或“混乱”,导致泄漏和电荷俘获。这种转变有所缓和,“成核层”促进GaN和缓解晶格不连续的增长,但是,即便如此,你只可以构建水平的设备,这种材料。
GaN通常是使用相关的“三元”的材料是由氮化镓(或类似的III / V化合物)合金与第三物质。沃甘是最常见的,它甚至有一个较宽的带隙,从3.5到4.0 eV取决于组成(和其他条件)。
与衬底之间的partially-smoothed过渡和甘,甘三元之间的过渡,是故意的。,能带的变化创造了一个量子阱导致高导电层的接口。这使得高电子导电通道的速度。
特别是与大功率设备,热因素是关键。碳化硅有明显好的导热硅的三倍。这使得系统冷却用更少的基础设施——这意味着SiC场效电晶体可以花费50美元左右,这听起来很贵,除了基于系统整体成本降低价格合理化。
相比之下,由于氮化镓晶片包括只有薄薄的一层,它的热特性是由散装。所以它可以分享只有种植在SiC SiC的导热性。它显然没有热优势硅如果硅衬底,和蓝宝石热尤其糟糕。
虽然到目前为止,我们主要集中在电压切换性能也是一个重要的特征碳化硅和氮化镓,因为它可以增加电力系统的效率。碳化硅的速度一直在利用肖特基二极管多年;现在被用于mosfet和jfet申请1 GHz左右。
甘的速度10 GHz以上,需要(砷化镓也可以处理这种速度,但氮化镓砷化镓高压优势)。尤其是射频应用程序,来处理电压只有20多岁或者40年代的伏,甘对碳化硅的速度可以给它点头。挑战者号在这里不是原文如此,但更便宜的硅laterally-diffused MOS (LDMOS)技术。
真正的高压应用- 1000 V的SiC的边缘。它已被证实在1200 V, 10 kv igbt应该是可能的。花了额外的工作适应GaN用于高电压应用程序(600 V左右起床);它有另外要求关晶体管的发展。
额外的氮化镓的研究也正在与不同的三元材料,包括InGaN(用于蓝色led),特别是AlInN(铟镓元素周期表列一样下降)。后者与传导通道接口,比沃甘两到三倍厚,降低阻力,提高潜在的性能。它也是完全与氮化镓模拟结果;现在唯一的限制是,种植层的质量需要改善。
除了碳化硅和氮化镓,所使用的“终极”材料(博尔赫斯先生的任期)将钻石-纯碳(前面提到的更多的都是电子的贡献较宽的带隙)。虽然可以生长金刚石薄膜,它的惊喜!——非常非常昂贵,实用的商业用途的范围之外。据我所知,碳研究专注于纳米管的能带隙是由管直径;这是一个完全独立的主题。
费用是一个挑战,所有的这些材料,尤其是在研究的早期阶段;钻石仅仅代表了一种极端的范围。有很多思想的尝试,所以TCAD仿真往往被用来审查之前的想法实际上是致力于物理实验——因此Synopsys对此的参与。
所以,简短的回答最初的问题是:我们这样做来改善高功率设备;两种主要材料、碳化硅和氮化镓,有不同的优势,而且,当他们做重叠在某种程度上,甘有速度优势和碳化硅有电压的优点。新材料的研究是由新三元与氮化镓交配。
每个材料都有其追随者;一些公司做的,为不同的应用程序或对冲自己的赌注。这些押注的回报将不得不在未来几年。
