Новые материалы

Листать книгу

Страницы: ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...

скачать книгу Новые материалы

На рис. 2.12 представлены зависимости приращения напряжения середины зоны от величины инжектированного заряда (плотность тока 0,667 мкА/см2) при положительной (/, 2, 3)
...
Поскольку центроид отрицательного заряда, накапливаемого в пленке ФСС, находится дальше дистанции туннелирования, то при инжекции электронов из кремния он оказывает практически одинаковое влияние на сдвиги AVMG и AVj.
...
цессе сильнополевой туннельной инжекции электронов при любой полярности токового импульса, что позволяет проводить прецизионную корректировку пороговых напряжений МДП-приборов.
...
Установлено, что при инжекции электронов из А1-электрода накопление отрицательного заряда может происходить лишь до определенной величины, при превышении которой за счет
...
лектрика. Таким образом, при отрицательной полярности А1-электрода инжекция электронов позволяет увеличивать пороговое напряжение МДП-транзистора на величину до 1 В, а с возрастанием концентрации фосфора в пленке ФСС уменьшается требуемая величина инжектированного заряда для одного и того же изменения зарядового состояния МДП-структуры.
...
При инжекции электронов из кремния с увеличением концентрации фосфора и ростом толщины слоя ФСС увеличивается диапазон возможных изменений порогового напряжения МДП-транзисторов, который может достигать значений до 6 В. Однако для обеспечения приемлемых значений плотности поверхностных состояний величина инжектированного заряда при подгонке порогового напряжения не должна превышать 0,1 мКл/см2. Диапазон токового воздействия при изменении зарядового состояния МДП-приборов целесообразно ограничить 10~8...10~5 А/см2. Уменьшение амплитуды токового воздействия сопровождается трудностями технической реализации в связи со значительным возрастанием времени инжекции требуемой величины заряда. Увеличение амплитуды токового воздействия приводит к значительному возрастанию вероятности пробоя образца, а при инжекции электронов из Si — к повышению плотности поверхностных состояний и генерации положительного заряда в Si02.
...
Анализ токов ТСД и релаксации отрицательного заряда в изотермических условиях показали, что при туннельной инжекции электронов в сильных электрических полях отрицательный заряд, захватывающийся в пленке ФСС, можно разделить на две компоненты, одна из которых стекает при отжиге до 473 К, а другая -- термостабильная часть заряда, которая начинает релаксировать, лишь при температурах выше 500 К. На наличие двух компонент отрицательного заряда указывает и присутствие в пленке ФСС электронных ловушек с двумя сечениями захвата [43]. Термостабильная часть отрицательного заряда в пленке ФСС наблюдалась также при ультрафиолетовом облучении структур. Это указывает на то, что для получения МДП-приборов с высокой температурной стабильностью после коррекции зарядового состояния структур их необходимо отжигать при температурах не ниже 473 К, а коррекцию параметров проводить с учетом стекания части заряда при отжиге.
...
В качестве опытного образца приборов с параметрами, управляемыми сильнополевой туннельной инжекцией, разработан низковольтный слаботочный стабилитрон, представляющий р-канальный МДП-транзи-стор, затвор которого соединен со стоком. Напряжение стабилизации
...
таких стабилитронов определяется пороговым напряжением транзистора, а дифференциальное сопротивление — крутизной транзистора. Для этой цели можно применить специальный МДП-транзистор, имеющий длину канала 2 мкм и соотношение длины канала к ширине 2 • 104. Данная конструкция стабилитрона позволяет получить следующие характеристики: рабочий диапазон тока 3 мкА...5 мА, дифференциальное сопротивление < 500 Ом. Использование в низковольтном слаботочном стабилитроне в качестве подзатворного диэлектрика структур Si02-<PCC дает возможность изменять напряжение стабилизации путем инжекции электронов в сильных электрических полях непосредственно на готовых приборах в пределах 2...5 В. Для осуществления инжекции затвор МДП-тран-зистора на кристалле не соединяется со стоком.
...
Дальнейшее развитие работ по инжекционной модификации с использованием рассмотренных выше процессов изменения зарядового состояния МДП-структур, наряду с разработкой новых видов полевых приборов с изменяемыми параметрами, будет направлено на создание локальных областей инжекционно-индуцированного заряда диэлектрика нанометровых размеров, что откроет возможность формирования стабильных и перестраиваемых квантоворазмерных элементов полупроводниковой наноэлектроники.
...
Из-за своей коммерческой значимости структура Si—Si02 вызывает громадный научный интерес. Насчитывается около 40000 работ (начиная с 1969 г.), посвященных данной структуре [36]. Однако многие вопросы остаются невыясненными до настоящего времени: детальное понимание механизмов диффузии; взаимные реакции окисляющих и нитридирующих частиц в Si02; механизмы начальной стадии окисления на атомарном уровне; послеокислительные процессы и их зависимость от электрофизических свойств; структура границ раздела; образование дефектов; механизмы деградации.
...
Несмотря на прекрасные свойства двуокиси кремния (высокое удельное сопротивление, низкая плотность дефектов на границе раздела, высокая температура плавления, большая ширина запрещенной зоны), существуют и определенные недостатки, которые наиболее ярко проявляются с уменьшением топологических размеров, а следовательно, и толщины Si02. Двуокись кремния имеет относительно низкую диэлект-
...
рическую проницаемость (еох = 3,9). Для того, чтобы эффективно управлять проводимостью канала при все уменьшающихся топологических размерах МДП-транзисторов, необходимо использовать все более тонкие слои двуокиси кремния. На рис. 2.13 показана зависимость толщины подзатворного слоя двуокиси кремния от минимального топологического размера [36]. К 2014 г. по
...
МДП-транзисторов с толщиной диэлектрика 0,8 нм. Однако при толщине < 1,2 нм слои двуокиси кремния теряют свои диэлектрические свойства. Это вызывает необходимость создания альтернативных подзатворных материалов, имеющих эквивалентную толщину < 1,2 нм. Эквивалентная толщина диэлектрика определяется как толщина слоя Si02 с еох = 3,9, имеющего ту же емкость, что и альтернативный диэлектрик с большей величиной относительной диэлектрической проницаемости. Эквивалентная толщина подзатворного диэлектрика равна /эк = /диэл (3,9/едиэл). При толщине < 1,2 нм у Si02 увеличиваются токи утечки затвора, возрастает рассеивание носителей в канале, повышается проникновение примесей, усиливаются деградационные процессы.
...
Основными проблемами при создании подзатворных диэлектриков на основе двуокиси кремния являются увеличение тока затвора, снижение эффективности управления каналом, снижение надежности [36].
...
Si02 имеет большую ширину запрещенной зоны ~9 эВ, низкую плотность ловушек и дефектов в объеме, что обусловливает малую величину тока утечки. При толщине Si02 < 3 нм прямое туннелирование будет преобладать над током утечки. Прямой туннельный ток экспоненциально возрастает с уменьшением толщины оксида. При уменьшении толщины оксида на 0,2 нм ток возрастает на порядок. Если за максимально допустимую плотность тока затвора принять 1 А/см2, то минимально Допустимая толщина Si02 составит -1,3 нм.
...
Ток стока в МДП-транзисторах с ультратонким подзатворным диэлектриком возрастает с уменьшением толщины Si02 до 1,3 нм, а затем на-
...
чинает уменьшаться. Причины снижения тока стока еще до конца не выяснены, но они связаны с увеличением рассеивания носителей у границы раздела Si02 - поликристаллический кремний, со снижением подвижности носителей из-за влияния заряда в инверсионном слое, с электростатическим взаимодействием между зарядами в сильнолегированном затворе, истоке и стоке.
...
В ультратонких пленках Si02 может наблюдаться и снижение заряда, инжектированного до пробоя. Электроны, движущиеся через слой Si02, создают электронные ловушки и поверхностные состояния, накопление которых ухудшает изолирующие свойства. По данным различных авторов, предельная толщина Si02, обусловленная приемлемой величиной заряда, инжектированного до пробоя составляет от 1,4 до 2,2 нм. Такой разброс результатов оценок связан с различием моделей, экстраполирующих данные, полученные при относительно высоких напряжениях (2,5...4) на рабочие напряжения 1... 1,2 В.
...
Таким образом, предельная толщина пленок Si02, используемых в качестве подзатворных диэлектриков, вследствие действия рассмотренных факторов составляет 1,2... 1,3 нм. Следовательно, новые поколения интегральных схем, которые потребуют толщины диэлектрика < 1нм (см. рис. 2.13), должны будут ориентироваться на альтернативные диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью [36]. С этой точки зрения, в ближайшие 5—10 лет следует ожидать вытеснения Si02 альтернативными диэлектриками.
...
В качестве перспективных альтернативных подзатворных диэлектриков в настоящее время рассматриваются Si3N4 и оксиды металлов с высокой диэлектрической проницаемостью. Слои Si3N4 с высокими электрическими характеристиками получают с внедрением некоторого количества кислорода, так как кремний лучше реагирует с кислородом, чем с азотом. Уже получены ультратонкие пленки Si3N4 с достаточно высокими характеристиками, однако диэлектрическая проницаемость Si3N4 всего в 2 раза больше, чем у Si02. Поэтому Si3N4 можно рассматривать только в качестве временного решения. С этой точки зрения оксиды металлов с высокой диэлектрической проницаемостью предпочтительнее.
...
Наиболее привлекательными для использования в качестве альтернативных подзатворных диэлектриков считаются А1203, Zr02, НЮ2, ТЮ2, Та202. Их основные свойства приведены в табл. 2.3 [36].
...
Одним из основных требований к альтернативным материалам для подзатворных диэлектриков является термодинамическая устойчивость на кремнии. При формировании альтернативного диэлектрика или при
...
ных темпов развития интегральных технологий через 10...15 лет будет достигнут предел микроминиатюризации. Дальнейшее повышение вычислительных мощностей компьютерных систем будет неразрывно связано с применением нанотехнологий.
...
Наноэлектроника является областью науки и техники, сформировавшейся на основе достижений физики твердого тела, квантовой электроники, физической химии и технологии полупроводниковой микроэлектроники. Разрабатываемые для наноэлектроники технологии должны быть ориентированы на массовое производство приборов и интегральных схем с минимальными размерами элементов в диапазоне от 100 до 1 нм.
...
В наноэлектронике используются следующие основные квантовые эффекты, лежащие в основе функционирования наноразмерных элементов: интерференция; квантовое ограничение; туннелирование через потенциальные барьеры.
...
В наноразмерных структурах электронные волны могут взаимодействовать друг с другом и с различными неоднородностями, при этом может наблюдаться интерференция, благодаря наличию которой у электронов заряда можно управлять, используя локальные электростатические или электромагнитные поля.
...
Свободному электрону в твердом теле соответствует электромагнитная волна, способная распространяться в любом направлении. Однако поведение электрона изменяется, если он находится в области твердого тела, ограниченной потенциальными барьерами, примером которой может являться квантовый шнур с ограниченными размерами сечения. В этом случае в поперечных направлениях могут распространяться только волны с длиной, кратной геометрическим размерам структуры. При этом соответствующие им электроны могут иметь только определенные фиксированные значения энергии, тогда как вдоль шнура могут двигаться электроны с любой энергией. Запирание электрона хотя бы в одном из направлений сопровождается увеличением его импульса. Данное явление называется квантовым ограничением и приводит, с одной стороны к увеличению минимальной энергии электрона, а с другой — к дополнительному квантованию энергетических уровней, вследствие чего свойства наноразмерных структур будут отличаться от свойств материала, из которого они сформированы.
...
На туннелирование электронов в наноразмерных структурах существенное влияние оказывает квантовое ограничение. Квантование их энергетических состояний в тонких периодически расположенных ямах вызывает появление у туннелирования резонансного характера. Поэто-
...
По данным анализа состояния работ по нанотехнологиям, проведенного Институтом нанотехнологий международного фонда конверсии, среди основных концепций создания наноэлектронных приборов, способных в перспективе конкурировать с современными МДП-схемами, можно выделить следующие.
...
Одноэлектронный транзистор, предложенный К. К.Лихаревым и Д.В.Авериным, состоит из двух последовательно включенных туннельных переходов. Туннелирование отдельных электронов контролируется кулоновской блокадой, которая управляется потенциалом, приложенным к активной области транзистора, расположенной между двумя прослойками тонкого диэлектрика. В перспективе такая структура может изменять свое состояние (0 или 1) под действием одного электрона. Для квантовых структур с размерами порядка 10 нм количество электронов в активной области должно составлять около 10.
...
Эффект фазовой интерференции электронов в вакууме используется в квантовом интерференционном транзисторе. Предполагается, что рабочие частоты такого транзистора будут достигать 1000 ГГц. Рабочие частоты у лучших современных интегральных транзисторов в 100—1000 раз меньше. Интерференционный транзистор состоит из полевого эмиттера, коллектора и сегментированных конденсаторов между ними. Фазовая интерференция электронов управляется электростатическим потенциалом на этих конденсаторах.
...
Новые цифровые переключающие приборы на атомных и молекулярных шнурах были разработаны в Японии в 1993 г. (Ю.Вада и др.). Базовая ячейка такого прибора состоит из атомного шнура, переключающего атома и переключающего электрода. Переключающий атом может смещаться из атомного шнура электрическим полем, приложенным к переключающему электроду. Проведенные расчеты показывают, что для прерывания движения электронов в атомном шнуре достаточен зазор порядка 0,4 нм. Ожидается, что рабочие частоты таких приборов будут достигать 1000 ГГц при размерах структуры 10 нм.
...
Транзисторы на резонансном туннелировании были разработаны в начале девяностых годов. Они представляют собой двухбарьерный диод на квантовых ямах, у которого потенциал ям и определенные резонансные условия определяются третьим электродом. Предполагается, что innn3HCTOf>bI На РезонаНсном
...
Вместе с тем следует отметить, что в развитии наноэлектронных технологий имеется ряд существенных трудностей [35]. Оказалось, что интегральные схемы на одноэлектронных транзисторах из-за высокого выходного сопротивления имеют рабочую частоту не более 1 ГГц. Не определены пути создания для одноэлектронных транзисторов, работающих при комнатных температурах, квантовых точек диаметром 1 нм. Кроме того, наличие случайно-заряженных примесей в подложке приводит к сдвигам пороговых напряжений одноэлектронных транзисторов.
...
К достоинствам одноэлектронных туннельных приборов следует отнести высокую плотность упаковки в сочетании с низкой мощностью. Перспективным представляется создание элемента памяти, возможно, не в форме одноэлектронного блокадного транзистора, а скорее в форме наноразмерного аналога стандартных устройств памяти мгновенного типа. Данные элементы могут выполнять функции статической памяти, ликвидируя разрыв между современной КМДП-памятью и чистым од-ноэлектронным транзистором. Станет ли концепция чистого одноэлектронного транзистора рыночным образцом, будет зависеть от способности создавать однородные элементы прибора размером на уровне 2 нм и устойчивости этих устройств к фоновым колебаниям заряда.
...
Резонансные туннельные диоды перспективны для использования в цифро-аналоговых и цифровых преобразователях, регистрах сдвига и статической памяти ультранизкой мощности, имеют преимущества перед КМДП-БИС по быстродействию при использовании в цифро-аналоговых конвертерах с частотами 10... 100 ГГц и по мощности при применении в приборах статической памяти. Поэтому эти устройства на основе материалов АП1ВУ могут найти применение в ближайшем будущем. Приборы на основе кремния имеют пока худшие характеристики, по сравнению с приборами на материалах AIHBV, и нуждаются в дальнейшей доработке. Однако резонансные туннельные диоды требуют устойчивости технологии в монослойном режиме и хорошей равномерности по всей пластине, что является главной проблемой, особенно для схем с большой степенью интеграции.
...
Цифровые схемы на основе сверхпроводников, которые обеспечивают высокое быстродействие (диапазон ГГц), имеют рыночный потенциал для применения в той области, где кремниевые КМДП-схемы не могут достигнуть тех же частот из-за литографических ограничений. Они могут с успехом применяться в высокоскоростном аналого-цифровом и цифро-аналоговом преобразовании. К сожалению, такие приборы, основанные на сверхпроводящих материалах, нуждаются в охлаждении, что повышает
...
общую стоимость устройств на их основе. Другим препятствием является изготовление сложных схем с высокой степенью интеграции.
...
Магнитная память с большой плотностью записи и с высоким быстродействием может быть создана на ячейках с магнитным туннельным переходом, в которых между верхним слоем нефиксированного сэндвича и фиксированным антиферромагнитом может протекать туннельный ток, величину которого определяет ориентация магнитного поля этого верхнего слоя. В настоящее время в такой магнитной памяти скорости доступа пока не соответствуют скорости доступа в динамической памяти КМДП-БИС, но моделирование показывает, что они могут быть увеличены за счет оптимизации структуры и размеров. Однако она может соответствовать КМДП-технологии по плотности памяти. Спиновые устройства в виде ячеек с магнитным туннельным переходом могут проникнуть на рынок уже в ближайшем будущем. Записывающие головки, основанные на механизме переменного туннельно-переходного подмагничивания, уже реально применяются. Препятствием для широкого внедрения в производство интегральных схем на основе ячеек с магнитным туннельным переходом является тот факт, что металлы, используемые для создания туннельно-переходных ячеек, трудно совместимы с кремниевой технологией.
...
В настоящее время для создания полупроводниковых структур на-нометровых размеров применяются групповые технологии, основанные на осаждении и литографии. Групповые технологии имеют ряд особенностей, ограничивающих возможность создания структур нанометровых размеров. Прежде всего при осаждении образуются поры, зерна, дислокации и другие дефекты, возникающие из-за одновременного осаждения на различные участки подложки. Применение методов эпитаксии хотя и позволит преодолеть в известной степени данные затруднения, но из-за высоких температур существенно затруднит локальное осаждение.
...
Развитие методов литографии шло по пути уменьшения длины используемого излучения (ультрафиолетовое или синхротронное) и применения частиц с меньшей длиной волны (высокоэнергетичная электронная и ионная литография). Существенным ограничением методов оптической литографии является возможность фокусировки света. От этого недостатка свободны методы ионной и электронной литографии. Однако высокая энергия фокусируемых частиц приводит к нарушению поверхности используемых материалов, что и ограничивает разрешающую способность.
...
В нанотехнологиях повышение разрешающей способности может быть достигнуто без применения высокоэнергетических частиц за счет создания условий, запрещающих свободное распространение частиц через определенную область (эффекта туннелирования). Так, эффективная ширина потока туннелирующих электронов при использовании техники сканирующей зондовой микроскопии при энергии в доли эВ составляет десятые доли нм.
...
Решение проблемы фокусировки, обеспечивающее создание отдельных элементов с нанометровыми размерами, не решает задачи создания интегральных схем высокой интеграции. Для создания интегральной схемы с числом элементов 108...10^ даже при реализации теоретического предела чувствительности электронорезистов потребуется достаточно большое время экспонирования, неприемлемое для условий массового производства интегральных схем.
...
Как известно, существует сравнительно узкая область длин волн дальнего вакуумного ультрафиолета и примыкающая к ней область мягкого рентгеновского излучения, благоприятная для проникновения в диапазон размеров < 100 нм. Более короткое излучение сложно использовать из-за генерации рентгеновских фотоэлектронов. Применение этого диапазона длин волн, эксимерных лазеров и брегговских зеркал на основе покрытия Si—Мо, обеспечивающих получение для длины волны 14 нм, коэффициента отражения до 70 %, позволит в ближайшее десятилетие достичь разрешающей способности 50... 100 нм. В частности, компании Intel и IBM в 2001 г. освоили серийный выпуск интегральных схем (130 нм) по технологии, основанной на использовании ArF эксимерно-го лазера.
...
Рассмотрение современного состояния нанотехнологий показывает, что единственным прибором наноэлектроники, сохраняющим свою работоспособность вплоть до размеров 6... 10 нм, является кремниевый полевой нанотранзистор со структурой МДП.
...
Массовое производство сверхбольших интегральных схем на основе нанотранзисторов с минимальной длиной затвора 20 нм, а затем и 10 нм будет основываться на развитии методов проекционной рентгеновской литографии в области вакуумного ультрафиолета и проекционной электронной и ионной литографии и будет готово приблизительно к 2015 г. Основные параметры этих сверхбольших схем будут следующими: плотность размещения логических вентилей 108 см2, размер кристалла 10... 15 см2 при плотности рассеиваемой мощности 100 Вт/см2, рабочие частоты до 20...40 ГГц.
...
Такие преимущества кремния как благоприятная для основной массы приборов и схем ширина запрещенной зоны (ЕД
...
Вместе с тем около 10 % приборов и схем, без которых немыслима современная электроника, не могут быть получены на основе кремния.
...
— Кремний является непрямозонным полупроводником и поэтому на его основе нельзя получить оптические квантовые генераторы (лазеры). Хотя в последнее время получены данные о создании лазеров на основе кремния, легированного эрбием, за счет прямых переходов в эрбий, но очень малая растворимость последнего в кремнии позволяет получить лазеры только малой мощности, которые не представляют практического интереса. Получение же пригодных и одновременно хорошо растворимых примесей является вряд ли разрешимой задачей.
...
— Важнейшим параметром полупроводниковых устройств является их быстродействие. В устройствах на основе кремния практически достигнуто максимально возможное для них быстродействие. В вычислительных устройствах, преобразователях энергии требуются новые материалы.
...
— Ширина запрещенной зоны в кремнии не позволяет получать на его основе приборы и схемы, способные работать при температурах выше 200 °С, что резко снижает перспективы его использования сейчас и тем более в перспективе. Для этого нужны материалы с существенно большей шириной запрещенной зоны.
...
~ По этой же причине кремний не позволяет получать светодиоды, дающие излучение в широком диапазоне цветов, в частности близких к УФ излучению (синего, зеленого, голубого свечения).
...
Задачи могут быть решены, и во многом уже решаются, с помощью использования широкой гаммы полупроводниковых соединений и твер-
...
дых растворов (все более многокомпонентных) на их основе. Это соединения класса AmBv (GaS, GaP, A1N, GaN, InN, InP), A1^ (ZnS, ZnSe, CdS...) и др., позволяющие получать материалы с очень широким диапазоном значений ширины запрещенной зоны от нескольких десятых до > 6 эВ и светодиоды с широкой гаммой цветов. В последние годы удалось получить светодиоды голубого, зеленого свечения (что раньше не удавалось) на основе широкозонных нитридов III группы (A1N, GaN AlGa, InN...) на подложках GaN. Это намного превосходит выпускавшиеся до недавнего времени светодиоды на основе GaAs. Но широкое внедрение нитридов высокого структурного совершенства оказалось очень сложной задачей. Сейчас в развитых странах занимаются разработкой оптимальной технологии их получения.
...
Создаются полевые транзисторы на основе (Al, Ga)As/GaAs. Широкозонные нитриды резко повышают пробивные поля, позволяют получить высокую удельную мощность в диапазоне частот до сотен гигагерц с сохранением работоспособности до 600 °С (вместо 200 °С в схемах на основе кремния).
...
Это особенно важно, если учесть, что уже сейчас более 80 % информации, которую получает человек, составляет видеоинформация, получаемая в основном с помощью полупроводников.
...
Соединения AfIIBv в основном прямозонные и потому используются для получения лазеров. Задача заключается в дальнейшем повышении их мощности.
...
Выполненные на основе полупроводниковых соединений интегральные схемы обладают значительно более высоким быстродействием, чем кремниевые. Лидирующее положение занимает в данном случае арсенид галлия (GaAs).
...
Одним из важнейших направлений электроники является получение полифункциональных электронных устройств. Возрастает роль тех направлений, которые способствуют преобразованию одних видов энергии в другую. Это назначение выполняется особым классом материалов электронной техники — диэлектрическими соединениями. Сотни диэлектрических соединений — в их числе сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, диэлектрические оптические акустоэлектрические устройства, электреты, пироэлектрики, — только диэлектрики позволяют взаимно преобразовывать электрические, магнитные, тепловые, акустические и оптические энергии.
...
Важен дистанционный контроль теплофизических процессов. Это позволит поднять на качественно новый уровень АСУТП в металлур-
...
Диэлектрические материалы используются в виде монокристаллов, поликристаллов, пленок, жидких кристаллов. Актуальной является задача получения тонкопленочных диэлектрических устройств.
...
Электропроводность в этих материалах осуществляется, как правило, не за счет обычного перемещения подвижных электронов и дырок, а носит прыжковый характер, который мало изучен.
...
Технологические трудности широкого использования диэлектрических соединений связаны с многокомпонентностью этих соединений, слабой изученностью структурных дефектов и др.
...
В Московском институте стали и сплавов проводятся НИР по направлению «Непланарная силовая электроника». Это направление включает в себя разработку теоретических и технологических основ создания дискретных полупроводниковых приборов нового поколения, которые создаются на основе непланарных подложек — профилированных монокристаллов кремния.
...
Известно, что значительную часть в общем выпуске полупроводниковой продукции составляют дискретные приборы (диоды, транзисторы, тиристоры) для нужд силовой промышленной электроники и мощной преобразовательной техники.
...
По различным оценкам, для изготовления силовых полупроводниковых приборов (СПП) ежегодно расходуется от 8 до 10 % всего производимого в мире монокристаллического кремния [45].
...
Рынок потребления силовых электронных устройств постоянно расширяется, т. к. постоянно растет общий объем мирового потребления электроэнергии, промышленной продукции и сырья, идет постоянное усложнение технологических процессов на производстве, ужесточаются требования к экологии.
...
Для каждой области применения имеются соответствующие типы приборов. Диапазон основных параметров современных СПП составляет 100... 1000 В по блокируемому напряжению, рабочий ток — от единицы до 5 • 103 А, время переключения — от сотен микросекунд до десятков пикосекунд и т.д. [45].
...
Развитие конструкций силовых полупроводниковых приборов идет в основном по пути увеличения рабочего тока и напряжения в соответствующих диапазонах частот.
...
Традиционно основным элементом в конструкции СПП является плоская пластина из монокристаллического кремния, на которой формируется та или иная полупроводниковая структура.
...
Простейшая структура состоит из двух слоев: п+-п, р+-р — высоколегированной подложки и рабочего слоя, в котором образуется ОПЗ. Такая структура применяется для изготовления выпрямительных диодов Шот-тки или слоев типа р-п, полученных методом диффузии или эпитаксии.
...
Известно, что важнейшей проблемой при конструировании силовых полупроводниковых приборов с плоскими планарно-эпитакси-альными ^-«-переходами является полное исключение поверхностного пробоя при приложении обратного напряжения £/обр [46—48]. Это связано с тем, что силовые, например, кремниевые полупроводниковые приборы рассчитаны на рабочие напряжения £/обр (200...5000 В) и могут пропускать рабочий ток / (10...2000 А) с ^-«-переходами, изготовленными из высокоомного кремния с удельным сопротивлением р (7... 600 Ом «см) с рабочей площадью S (0,3... 1000 см2).
...
Поверхностный пробой [48—50] возникает в полупроводниковом р-п-переходе, если напряженность электрического поля Es
...
где Us — напряжение пробоя на поверхности /?-и-перехода, £/обр — напряжение пробоя в объеме /7
...
напряжения С/обр = 4000...7000 В. Однако в кремниевых структурах с плоскими р-и-переходами для высоковольтных силовых приборов такие важнейшие параметры, как напряженность электрического поля на поверхности Es, ширина />-я-перехода на поверхности узла фаски И1^ > определяются эмпирическим путем для каждой партии приборов [47]. Например, для диодных структур р+-п-п+-шпа на основе и-Si с удельным сопротивлением рп (80... 100 Ом • см), были рассчитаны по методике [50] поверхностные параметры Е„ £/_ , a<, a-,, W. с помощью сле-дующих эмпирических формул. Для обратной фаски:
...
Для диодных, транзисторных, тиристорных полупроводниковых структур, а также в зависимости от технологии их изготовления, вышеперечисленные поверхностные параметры будут иметь уже другие значения, рассчитанные по другим формулам, которые представлены в виде графического решения (рис. 2.18, 2.19, 2.20).
...
Такой разброс поверхностных полупроводниковых структур для силовых приборов не позволяет разрабатывать более высокие технологии их производства, с целью существенного повышения характеристик полупроводниковых структур с плоскими (планарными) р-п-переходами и металлическими контактами к ним.
...
Как следует из рис. 2.14, слой объемного заряда реального p-n-nt-рехода в приповерхностном слое кристалла кремния может быть уже
...
(W п < Wp_n) или шире (Ws^ ^ > Wp_n) размера ОПЗ в объеме /?-я-перехо-да. Сужение ОПЗ увеличивает напряженность электрического поля Е в
...
Различие в площадях верхнего и нижнего металлических контактов приводит к неоднородному распределению плотности рабочего тока через выпрямительный диод в прямом направлении (в режиме инжекции), так как наибольшая плотность рабочего тока наблюдается у края верхнего электрода, имеющего меньшие геометрические размеры, поэтому электротепловая неустойчивость (электротепловая деградация) значительно больше у края верхнего электрода, чем у нижнего при приложении к структуре диода прямого напряжения Unp.
...
Электрофизические недостатки присущи и кремниевым четырехслой-ным силовым структурам р-п-р-п-типа, представленным на рис. 2.21.
...
Для создания силовых кремниевых полупроводниковых приборов были предложены типы структур с двумя или тремя фасками, в которых, тем не менее, не исключается проявление краевого эффекта из-за наличия поверхностного заряда с повышенной поверхностной плотностью у краев плоских металлических контактов.
...
Более приемлемой конструкцией является кремниевая структура, имеющая форму «электрода Роговского» [52] (рис. 2.22), в которой распределение напряженности электрического поля и его эквипотенциальных линий имеют более однородную природу, что позволяет использовать такие структуры при обратных напряжениях в пределах 4...7кВ без скошенных боковых поверхностей р-и-переходов.
...
Другими словами, структура Si выпрямительного элемента должна повторять структуру контактных электродов, роль которых в структуре
...
Рис. 2.22. Структура р+-/-и+-кремниевого диода, имеющая форму «электрода Роговско-го» (а),
...
n+-i-p+ выполняют р+- и «+-слои, как у «электродов Роговского», и они повторяют «застывшую» эквипотенциальную плоскость (см. рис. 2.22, б),
...
где h - W6 — толщина базовой области полупроводниковой структуры; А — параметр, характеризующий силовые линии.
...
Полупроводниковые структуры, соответствующие этим уравнениям, являются плоскими, так как не учитывают распределения зарядов по оси z, и сами металлические контакты также являются плоскими (см. рис. 2.22, а).
...
Рис. 2.22. Структура р⁺-/-и⁺-кремниевого диода, имеющая форму «электрода Роговско-го»
...
Сущность этого явления (рис. 2.23) заключается в том, что плоские металлические контакты к таким полупроводниковым структурам всегда несут на себе поверхностный заряд распределенный неравномерно по площади контакта (рис. 2.23):
...
Для того, чтобы получить равномерное распределение электрического заряда Q* по поверхности металлических контактов и избежать краевого эффекта (накопления поверхностных зарядов на краях плоских прямоугольных металлических контактов при обратном смещении), например, кремниевых силовых диодных структур р+-и-и+-типа, необходимо, чтобы металлическая поверхность контактов (в отличие от плоской поверхности) повторяла поверхность 2-го порядка [53] поверхностного заряда Qfs
...
Рис. 2.25. Распределение абсолютного отрицательного заряда в кулонах Q~(R) на краю металлического верхнего контакта в виде плоского диска по его радиусу R для структуры р+-л-л+-типа
...
этом случае боковые поверхности полупроводниковой структуры не должны быть скошены под острыми углами прямой (а{)
...
Тогда эквипотенциальные линии приходят из пространства от -°о до +°° и никогда не замыкаются вокруг электродов. Это означает, что электрическое поле напряженностью Es на боковой поверхности не будет иметь максимума (нет стушений линий поля, см. рис. 2.24), а будет распределено равномерно, причем так, что на боковой поверхности кристалла оно всегда меньше, чем в объеме р-и-перехода, т. е. Е. < Еп „ и
...
Потенциальный барьер, образующийся в приконтактном слое полупроводника, граничащий с металлом, исследован немецким ученым В. Шоттки [54] еще в 1939 г. и назван его именем. Дальнейшие исследования [55] показали, что для возникновения барьера Шоттки в структуре металл—полупроводник необходимо, чтобы работа выхода электронов из металла Фм и полупроводника Фп была больше Фм > Фп, металл заряжается отрицательно, а полупроводник — положительно. Возникающая при установлении равновесия контактная разность потенциалов между металлом и полупроводником равна:
...
Эта разность потенциалов создается в приповерхностном слое полупроводника, в результате возникает барьер Шоттки высотой ФМ-ФП = Ф0. В реальных структурах металл—полупроводник это соотношение не всегда строго выполняется, так как на поверхности полупроводника в тонкой диэлектрической прослойке, возникающей из-за технологических факторов между металлом и полупроводником, образуются локальные поверхностные состояния. Электроны, находящиеся на них, экранируют влияние металла так, что внутреннее электрическое поле в полупроводнике определяется этими поверхностными состояниями.
...
Известно, что барьер Шоттки обладает выпрямительными свойствами при больших токах, обусловленных целиком основными носителями заряда, а условие электронейтральности по-прежнему определяется уравнением Q0 + Qss + Qs = 0.
...
ческий заряд поверхностных состояний на границе раздела металл—полупроводник, Кл; QM — отрицательный заряд на поверхности металла, который сильно влияет на краевой эффект при использовании барьеров Шоттки для создания выпрямительных диодов на токи /вьшр > 100 А и обратные напряжения Uo6p > 500 В, Кл.
...

Сварка на контактных машинах
Краткий справочник технолога-термиста
Спутник термиста
Новые материалы
Твердые сплавы
Цементация стали
Зварювальні матеріали

"Сварка-ЛИБ" - Техническая библиотека сварщика | Сварка, термообработка, материалы, металлы и сплавы

admin

Новые материалы