DOI: https://doi.org/10.20998/2413-4295.2018.26.21

Перспективні напівпровідникові матеріали для використання в силовій електроніці

Tatyana Kritskaya, Sergey Bytkin

Анотація


Технології високотемпературних і радіаційно стійких силових напівпровідникових приладів (СНП) використовують структури на основі SiC, GaN. Світовий ринок дискретних силових приладів в 2024 р становитиме ~ $ 23 млрд., Частка приладів на основі кремнію ≅87%. Запропоновано методи спеціального легування монокристалів CZ-Si і обробки, що підвищує механічні властивості Si, а також радіаційну і термічну стабільність СНП на основі CZ-Si<Ge>.


Ключові слова


силовий напівпровідниковий прилад; гетероепітаксія; кремній; монокристал;легування; CZSi< Ge>;термічна стабільність; радіаційна стійкість

Повний текст:

PDF (Русский)

Посилання


Kaminski, N., Styasni, T. Vozdejstvie kosmicheskogo izlucheniya na intensivnost otkazov IGBT [The impact of cosmic radiation on the intensity of IGBT failures]. Silovaya elektronika [Power electronics], 2008, 1, 30-32.

Busatto, G. Cosmic Rays induced Single Event Effects in Power Semiconductor Devices. Naples, June, 4th 2006. Available at: http: g.eng.cam.ac.uk/robuspic/pub_present/ ISPSD06/02_Busatto.pdf.

Vojtovich, V. A. Gordeev, A., Dumanevich,A. Si, SaAs, SiS, SaN – Cilovaya elektronika. Cravnenie, novye vozmozhnosti. Silovaya elektronika, 2010, 5, 4-10.

Enisherlova, K. L., Krymko, M. M. Kremnievye struktury dlya silovoj elektroniki. Himiya v interesah ustojchivogo razvitiya, 2001, 9, 845-851.

Surajkin, A. I. Bystrodejstvuyushie vysokovoltnye GaAs diody dlya silovoj elektroniki. 2014. Available at: http: cyberleninka.ru/.../bystrodeystvuyuschie-vysokovoltnye-gaas-diody-dlya-silov‎.

Buntov, E. Geterostrukrury na osnove nitrida galliya (GaN) i tehnologii kompanii OMMIC na ih osnove. Available at: www.npk-photonica.ru/images/statya-svch-pdf102540.pdf.

Abdulaev, O. R., Mezhenny, M. V., Filatov, M. Yu. Razrabotka tehnologii sozdaniya epitaksialnyh struktur nitrida galliya na kremnii dlya moshnyh SVCh p-i-n diodov. «Kremnij-2014». Tezisy dokladov. Irkutsk, 7-12.07. 2014, 152.

Balaekirev, A., Turkin, A. Perspektivy nitrida galliya v SVCh-elektronike. Resheniya kompanii RFHIC. Elektronika. Nauka. Tehnologiya Biznes, 2015, 4, 4-69.

Rahimo, M. Power Semiconductors for Power Electronics Applications ABB Switzerland Ltd, Semiconductors . CAS-PSI Special course Power Converters, Baden Switzerland, 8th May 2014, slides 43, 46.

Fujitsu. Available at:: http:.www.fujitsu.com/emea/news/pr/ fseu-en_20130717-1061-fujitsu-gan-power-devices-150v.html

Vojer, P. Proryv v tehnologiyah shirokozonnyh materialov predveshaet nachalo masshtabnogo vnedreniya SiC. Novosti elektroniki, 2017, 11. Available at: https://www.compel.ru/lib/ne/2017/11/6.

Available at: https://hi-news.ru/technology/elektronika-kotoraya-smozhet-rabotat-na-venere-kak-ee-sozdat.html.

Available at: https://ko.com.ua/ stoimost_moshhnoj_jelektroniki_na_osnove_sic_snizitsya_v_3_i_bolee_raz_121574.

Hmelnickij, R. A., Talipov, N. H. Chucheva, G. E. Sinteticheskij almaz dlya elektroniki i optiki. Moskwa, 2017, 228.

Almaznaya reanimaciya zakona Mura. Available at: https://habr.com/post/285984/.

Gruzdov, V. V., Kolkovskij, Yu. V., Koncevoj, Yu. A. Kontrol novyh tehnologij v tverdotelnoj SVCh elektronike [Control of new technologies in solid-state microwave electronics]. Moskva, 2016, 328.

Vojtovich, V. Gordeev, A. Idei 60-h kak materialnaya vozmozhnost perestroit mirovuyu elektroniku XXI veka. Sovremennaya elektronika, 2013, 3, 10-16.

Bondar, D. Nitrid galliya – premer sredi novyh materialov poluprovodnikovoj mikroelektroniki. Komponenty i tehnologii, 2018, 4, 134-137.

Bodnar, D. Poluprovodnikovaya mikroelektronika – 2017. 3. Novye materialy postkremnievoj epohi – uzhe nastoyashee, a ne budushee. Elektronnye komponenty. 2018, 1. Available at: http:.www.syntezmicro.ru/download/ publikatsii.

Bondar, V. Mirovaya rokirovka voennoj i grazhdanskoj mikroelektroniki. Vezde, krome Rossii. Elektronnye komponenty, 2018, 4. Available at: http:.www.syntezmicro.ru/download/publikatsiihttp

iXBT Novosti. Available at:: www.ixbt.com.

Electronic engineering times. Available at: www.eetimes.com.

Rejvi, K. Defekty i primesi v poluprovodnikovom kremnii. Moskwa: Mir, 1984, 475.

Aleksandrov, L. N. Perehodnye oblasti epitaksialnyh poluprovodnikovyh plenok. Novosibirsk: Nauka, 1978, 270.

Bahrushin, V. E. Rol fonovyh primesej podlozhki v formirovanii perehodnoj oblasti slabolegirovannyh epitaksialnyh sloev kremniya. Neorganicheskie materialy, 1996, 32, 6, 650-652.

Bahrushin, V. E., Galkin, P. N. i dr. Obrazovanie prosloek dyrochnogo tipa v kremnievyh epitaksialnyh n-n+ strukturah. El. tehnika. Ser. Poluprovodnikovye pribory, 1991, 1, 10-14.

Kritskaya, T. V. Sovremennye tendencii polucheniya kremniya dlya ustrojstv elektroniki: Monografiya Zaporozhe, 2013, 353.

Gubenko, A. Ya. Pat. 0002202656 Rossiya MKI7 S30V 15/04 Sposob polucheniya kremniya, legirovannogo surmoj. № 2001115968. Zayavl. 15.06.01. Opubl. 320.04.03. Byul. 14

Yaderno legirovannyj kremnij dlya silovoj elektroniki. Available at: https://habr.com/post/388867/.

Johnson, N. M., Hahn, S. K. Hydrogen passivation of oxygen-related thermal-donor defect in silicon. Appl Phys. Lett., 1986, 48, 11, 709-711.

Claubourn, M., Newan, R.C. Activation energy for thermal donors in silicon. Appl. Phys. Lett., 1987, 51, 26, 2197-2199.

Shahovcov, V. I., Yaskovec, I. I. Nekotorye problemy radiacionnoj fiziki tverdogo tela [Some problems of solid-state radiation physics] . UF. 1979, 24, 2, 193 – 203.

Kritskaya, T. V. Osobennosti spektrov IK-pogosheniya termodonorov v kristallah Si:Ge. FTP, 1990, 24, 6, 1129-1132.

Feature and Application of Gate Turn-off Thyristors. Mitsubishi Highpower Semiconductors. Available at: .http:.www.mitsubishichips.com/Global/files/manuals/gtothyristors.pdf.

Vladimirov, V. M., Granickij, L. V., Salagaeva, A. V., Hlebopros, R. G. Planetarnoe raspredelenie vtorichnyh nejtronov. «Sovremennye problemy». Available at: http:.modernproblems.org.ru/ecology/14-hlebopros3.html.

Bytkin, S. V. Konkutentnaya razvedka konyunkturno-tehnologicheskih perspektiv tradicionnogo i high-tech eksporta Ukrainy: Monografiya Zapor. Derzh. Inzh. Akad. Zaporrizhzhya: ZDIA, 2017, 280.

Bruemmer, J. E, Williams, F. R. Schmitz Efficient Design in a DC to DC Converter Unit. NASA Technical Memorandum. G.V.E–13499 prepared for the 37th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, Washington, DC, July 28–August 2, 2002. Available at: http:.gltrs.grc.nasa.gov/reports/2002/TM-2002-211804.pdf.

Keller, J. Power electronics designers look to the future. Military & Aerospace Electronics November, 2002. Available at: http://mae.pennnet.com/articles/ article_display.cfm?Section=ARCHI&C=Feat&ARTICLE_ID=161973&KEYWORDS=Schottky%20QPL&p=32.

Rausch, R. Electronic Components & Systems and their Radiation Qualification for Use in the LHC Machine. European Laboratory For Particle Physics, Cern-Sl Division Cern Sl 99-004 (Co). Invited Paper presented at LHC Electronic Board Workshop Snowmass, Colorado, USA, 20-25 September 1999. Available at: http:. project.slac.stanford.edu/lc/local/Radphysics/European_Lab.pdf.

Taranovich, S. Si vs. GaN vs. SiC: Which process and supplier are best for my power design? EDN, 2013. Available at: http:.www.edn.com/design/power-management/4409627/3/Si-vs-GaN-vs-SiC-Which-process-and-supplier-are-best-for-my-power-design.

Kritskaya, T. V., Nejmark, K. N., Nechiporenko, Yu. L., Trubicyn, Yu. V., Chervonnyj, I. F., Kustov, V. E., Shahovcov, V. I., Shindich V. L., Biduha V. I, Dumbrov, V. I., Falkevich, M. E., Ahtman, L. K. A.s. 1603860 SSSR, MKI3 S 30 V 31/20, 29/06. Sposob obrabotki monokristallov kremniya / 4484438/23–26; zayavleno 19.09.88.

Kritskaya, T. V., Nejmark, K. N., Shklyar, B. L. Vozdejstvie g-obluche-niya na kvarcevye tigli. Cvetnye metally [Black metals], 1993, 2, 49-50.

Shahovcov, V. I., Yaskovec, I. I. Nekotorye problemy radiacionnoj fiziki tverdogo tela. UFZh, 1979, 24, 2, 193-203.

Hirashi, H., Hoshikawa, K. The dissolution rate of silica in molten silicon. Jap. J. Appl. Phys., 1980, 19, 8, 1573-1574.

Regel, A. R., Glazov, V. M. Zakonomernosti formirovaniya struktury elektronnyh rasplavov. Moskwa, 1982, 294.

Poltavcev, Yu. G. Struktura poluprovodnikovyh rasplavov. Moslwa, 1984, 264.

Gubenko, A. Ya. Fazovye prevrasheniya v tverdom i zhidkom kremnii. Kristallografiya, 2001, 46, 1, 88-94.

Taran, Yu. M., Glazov, V. M. Strukturnye izmeneniya pri nagreve monokristallov kremniya. FTP, 1991, 25, 4, 588-595.

Glazov, V. M. Podhod k obosnovaniyu vozmozhnosti povysheniya termostabilnosti kremniya putem ego legirovaniya. Izv. Vuzov. Cvetnaya metallurgiya, 1997, 6, 67-71.

Taran, Yu. N., Kucova, V. Z., Kritskaya, T. V. Vliyanie legirovaniya na strukturu i svojstvapoluprovodnikovogo kremniya. Izv. Vuzov. Materialy elektronnoj tehniki, 2003, 1, 26-29.

Prihodko, E. V. Metallohimiya kompleksnogo legirovaniya. Moskwa, 1983, 184.


Пристатейна бібліографія ГОСТ


  1. Камински, Н. Воздействие космического излучения на интенсивность отказов IGBT  / Н. Камински, Т. Стясни // Силовая электроника. – 2008. – №1. – С.30-32.
  2. Busatto, G. Cosmic Rays induced Single Event Effects in Power Semiconductor Devices / G. Busatto // Naples. – 2006. URL: http://g.eng.cam.ac.uk/robuspic/pub_present/ ISPSD06/02_Busatto.pdf
  3. Войтович, В. Si, СаАs, SiС, СаN – Cиловая электроника. Cравнение, новые возможности / В. Войтович, А. Гордеев, А. Думаневич // Силовая электроника. – 2010. – №5. – С. 4-10.
  4. Енишерлова, К. Л. Кремниевые структуры для силовой электроники / К. Л. Енишерлова, М. М. Крымко // Химия в интересах устойчивого развития. ‑ 2001. ‑ №9. – С. 845-851.
  5. Сурайкин, А. И. Быстродействующие высоковольтные GaAs диоды для силовой электроники / А. И. Сурайкин.URL:http://cyberleninka.ru/.../bystrodeystvuyuschie-vysokovoltnye-gaas-diody-dlya-silov ‑ ‎2014.
  6. Бунтов, Е. Гетерострукруры на основе нитрида галлия (GaN) и технологии компании OMMIC на их основе / Е. Бунтов. URL: www.npk-photonica.ru/images/statya-svch-pdf102540.pdf.
  7. Абдулаев, О. Р. Разработка технологии создания эпитаксиальных структур нитрида галлия на кремнии для мощных СВЧ p-i-n диодов / О. Р. Абдуллаев, М. В. Меженны, М. Ю. Филатов // «Кремний-2014». Тезисы докладов. Иркутск, 7-12.07.‑ 2014. – С. 152.
  8. Балакирев, А. Перспективы нитрида галлия в СВЧ-электронике. Решения компании RFHIC // А. Балакирев, А.Туркин // Электроника. Наука. Технология. Бизнес. ‑2015. ‑ №4. – C. ­4-69.
  9. Rahimo, М. Power Semiconductors for Power Electronics Applications ABB Switzerland Ltd, Semiconductors / MRahimo // CAS-PSI Special course Power Converters, Baden Switzerland. – 8th May 2014. – slides 43, 46.
  10. 10.  Fujitsu. URL: http://www.fujitsu.com/emea/news/pr/fseu-en_20130717-1061-fujitsu-gan-power-devices-150v.html.
  11. Войер, П. Прорыв в технологиях широкозонных материалов предвещает начало масштабного внедрения SiC / П. Войер // Новости электроники. ‑ 2017. – № 11. . URL: https://www.compel.ru/lib/ne/2017/11/6.
  12. URL: https://hi-news.ru/technology/elektronika-kotoraya-smozhet-rabotat-na-venere-kak-ee-sozdat.html.
  13. URL:https://ko.com.ua/stoimost_moshhnoj_jelektroniki_na_osnove_sic_snizitsya_v_3_i_bolee_raz_121574.
  14. Хмельницкий, Р. А. Синтетический алмаз для электроники и оптики / Р. А. Хмельницкий, Н. Х. Талипов, Г. Е. Чучева. – Москва: Издательство ИКАР. – 2017. – 228 с.
  15. Алмазная реанимация закона Мура. URL: https://habr.com/post/285984/.
  16. Груздов, В. В. Контроль новых технологий в твердотельной СВЧ электронике / В. В. Груздов , Ю. В. Колковский, Ю. А. Концевой. – Москва: Техносфера, 2016. – 328 с.
  17. Войтович В. Идеи 60-х как материальная возможность перестроить мировую электронику XXI века / В. Войтович, А. Гордеев // Современная электроника. – 2013. ‑ № 3.‑ С. 10-16.
  18. Бондарь, Д. Нитрид галлия – премьер среди новых материалов полупроводниковой микроэлектроники / Д. Бондарь // Компоненты и технологии. – 2018. ‑ №4. – С. 134-137.
  19. Боднарь, Д. Полупроводниковая микроэлектроника – 2017 г. Ч. 3. Новые материалы посткремниевой эпохи – уже настоящее, а не будущее / Д. Бондарь // Электронные компоненты. – 2018. – № 1. URL: http://www.syntezmicro.ru/download/publikatsii.
  20. Бондарь, В. Мировая рокировка военной и гражданской микроэлектроники. Везде, кроме России / B. Бондарь // Электронные компоненты. – 2018. – № 4. URL: http://www.syntezmicro.ru/download/publikatsiihttp
  21. iXBT Новости. URL: www.ixbt.com.
  22. Electronic engineering times. URL:  www.eetimes.com.
  23. Рейви, К. Дефекты и примеси в полупроводниковом кремнии / К. Рейви. – Москва : Мир, 1984. – 475 с.
  24. Александров, Л. Н. Переходные области эпитаксиальных полупроводниковых пленок / Л. Н. Александров. – Новосибирск: Наука, 1978. – 270 с.
  25. Бахрушин, В. Е. Роль фоновых примесей подложки в формировании переходной области слаболегированных эпитаксиальных слоев кремния / В. Е. Бахрушин // Неорганические материалы. – 1996. ‑ Т.32. – №6. ‑ С. 650-652.
  26. Бахрушин, В. Е. Образование прослоек дырочного типа в кремниевых эпитаксиальных n-n+ структурах  / В. Е.Бахрушин, П. Н. Галкин и др. // Эл. техника. Сер. Полупроводниковые приборы. – 1991. – №1. – С. 10-14.
  27. Критская Т. В. Современные тенденции получения кремния для устройств электроники: Монография / Т. В. Критская. ‑ Запорожье: Изд-во: ЗГИА, 2013. – 353 c.
  28. Пат. 0002202656 Россия МКИ7 С30В 15/04 Способ получения кремния, легированного сурьмой / Губенко А. Я. (Россия). – № 2001115968. Заявл. 15.06.01. Опубл. 320.04.03. Бюл. № 14.
  29. Ядерно-легированный кремний для силовой электроники. URL: https://habr.com/post/388867/.
  30. Johnson, N. M. Hydrogen passivation of oxygen-related thermal-donor defect in silicon / N. M. Johnson , S. K. Hahn  // Appl. Phys. Lett. ‑ 1986. ‑ v.48. – №11. ‑ P. 709-711.
  31. Claubourn, M. Activation energy for thermal donors in silicon / M. Claubourn, R. C. Newan // Appl. Phys. Lett. ‑ 1987. ‑ v. 51. – № 26. ‑ P. 2197-2199.
  32. Шаховцов, В. И. Некоторые проблемы радиационной физики твердого тела  / Шаховцов В. И., Ясковец И. И. // УФ. ‑ 1979. ‑ Т. 24. ‑ № 2. – С. 193-203.
  33. Критская, Т. В. Особенности спектров ИК-поглощения термодоноров в кристаллах Si:Gе / Т. В. Критская, Л. И. Хируненко, В. И. Шаховцов, В. И. Яшник // ФТП – 1990. – Т.24. – Вип. 6. ‑ С. 1129-1132.
  34. Feature and Application of Gate Turn-off Thyristors. Mitsubishi Highpower Semiconductors. URL:: //http://www.mitsubishichips.com/Global/files/manuals/gtothyristors.pdf.
  35. Владимиров, В. М. Планетарное распределение вторичных нейтронов / В. М. Владимиров, Л.В. Границкий, Н. Н. Гурова, А. В. Салагаева, Р. Г. Хлебопрос. Сайт «Современные проблемы». URL: http://modernproblems.org.ru/ecology/14-hlebopros3.html.
  36. Быткин, С. В. Конкурентная разведка конъюнктурно-технологических перспектив традиционного и high-tech экспорта Украины: Монография / С. В. Быткин. – Запор. Держ. Інж. Акад. ‑ Запоріжжя:ЗДІА, 2017. ‑ 280 c.
  37. Bruemmer, J. E. Schmitz Efficient Design in a DC to DC Converter Unit. NASA Technical Memorandum / J. E. Bruemmer, F. R. Williams G. V. E–13499 prepared for the 37th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, Washington, DC, July 28–August 2, 2002.  URL: http://gltrs.grc.nasa.gov/reports/2002/TM-2002-211804.pdf.
  38. Keller J. Power electronics designers look to the future / J. Keller / Military & Aerospace Electronics. – 2002. URL: http://mae.pennnet.com/articles/article_display.cfm?Section=ARCHI&C=Feat&ARTICLE_ID=161973&KEYWORDS=Schottky%20QPL&p=32.
  39. Rausch, R. Electronic Components & Systems and their Radiation Qualification for Use in the LHC Machine. European Laboratory For Particle Physics, Cern-Sl Divisioncern Sl 99-004 (Co) / R. Rausch // Invited Paper presented at LHC Electronic Board Workshop Snowmass, Colorado, USA, 20-25 September 1999. URL: http:// project.slac.stanford.edu/lc/local/Radphysics/European_Lab.pdf.
  40. Taranovich, S. Si vs. GaN vs. SiC: Which process and supplier are best for my power design?  / S. Taranovich // Сайт EDN. – 2013. URL: http://www.edn.com/design/ power-management/4409627/3/Si-vs--GaN-vs--SiC--Which-process-and-supplier-are-best-for-my-power-design.
  41. А.с. 1603860 СССР, МКИ3 С 30 В 31/20, 29/06. Способ обработки монокристаллов кремния / Критская Т. В., Неймарк К.Н., Нечипоренко Ю.Л., Трубицын Ю.В., Червонный И.Ф., Кустов В.Е., Шаховцов В.И., Шиндич В.Л., Бидуха В.И, Думбров В.И., Фалькевич М. Э., Ахтман Л. К. (СССР). – № 4484438/23 – 26; заявлено 19.09.88.
  42. Критская, Т. В. Воздействие γ-облуче-ния на кварцевые тигли / Т. В. Критская, К. Н. Неймарк, Б. Л. Шкляр  // Цветные металлы. – 1993. – № 2. – С. 49-50.
  43. Шаховцов, В. И. Некоторые проблемы радиационной физики твердого тела / В. И. Шаховцов, И. И. Ясковец  // УФЖ. ‑1979. ‑ Т. 24. – № 2. ‑ С. 193-203.
  44. Hirashi, H. The dissolution rate of silica in molten silicon / H. Hirashi, K. Hoshikawa // Jap. J. Appl. Phys. ‑ 1980. ‑ V. 19, № 8 ‑ P. 1573-1574.
  45. Регель, А. . Закономерности формирования структуры электронных расплавов / А. Р. Регель, В. М. Глазов. –Москва: Наука, 1982. – 294 с.
  46. Полтавцев, Ю. Г. Структура полупроводниковых расплавов / Ю. Г. Полтавцев. – Москва: Металлургия, 1984. – 264 с.
  47. Губенко, А. Я. Фазовые превращения в твердом и жидком кремнии / А. Я. Губенко // Кристаллография, 2001. ‑Т.46. – № 1. ‑С. 88-94.
  48. Таран, Ю. М. Структурные изменения при нагреве монокристаллов кремния / Ю. М. Таран, В. М. Глазов, А.Р. Регель и др. // ФТП. ‑1991. ‑Т.25. – Вып. 4.‑ С.588-595.
  49. Глазов, В. М. Подход к обоснованию возможности повышения термостабильности кремния путем его легирования / В. М. Глазов // Изв. Вузов. Цветная металлургия. ‑ 1997. ‑№ 6. ‑ С. 67-71.
  50. Таран, Ю. Н. Влияние легирования на структуру и свойства полупроводникового кремния / Ю. Н. Таран, В. З. Куцова, Т. В. Критская и др. // Изв. Вузов. Материалы электронной техники. ‑ 2003. ‑ 1. ‑ С. 26-29.
  51. Приходько, Э. В. Металлохимия комплексного легирования / Э. В. Приходько. – Москва: Металлургия, 1983. – 184 с.