Przerwa energetyczna a parametry półprzewodników

Przez dziesięciolecia krzem dominował w elektronice, ale to stopniowo się zmienia, ponieważ powstają aplikacje o coraz większych wymaganiach. Szczególnie zauważalne jest to w energoelektronice, gdzie na skutek postępującego rozwoju elektromobilności czy systemów energetyki odnawialnej potrzebne są elementy mocy o coraz lepszych parametrach. Kluczowymi aspektami w tego rodzaju urządzeniach są:

• optymalizacja, czyli zwiększanie sprawności energetycznej,
• miniaturyzacja,
• wydajność, czyli zwiększanie ilości gromadzonej energii.

Za tymi wymaganiami wysokiego poziomu idą konkretne potrzeby niskopoziomowe – zredukowana rezystancja kanałów w kluczach MOSFET, możliwość pracy z wyższymi napięciami i prądami oraz możliwość szybszego przełączania tranzystorów. Nie mniej istotne są też parametry termiczne – przewodność cieplna materiału i jego maksymalna temperatura pracy.

Do tej pory opracowano już złożone półprzewodniki, tj. takie, które wykonane są z dwóch lub trzech materiałów, które oferują wyjątkowe cechy i doskonałe właściwości. Na przykład złożone półprzewodniki dały nam diody LED: czerwona zawiera związek arsenu i galu (GaAs), a dodanie do mieszanki fosforu (GaAsP) pozwala na wytworzenie żółtego koloru. Chociaż półprzewodniki wieloskładnikowe są trudniejsze do wykonania i droższe, oferują istotną przewagę w porównaniu z krzemem. W wielu aplikacjach materiały te sprawdzają się znacznie lepiej niż krzem.

Dwa komponenty półprzewodnikowe, które powstały jako odpowiedź na opisane problemy, zawierają półprzewodniki wieloskładnikowe, o szerokiej przerwie energetycznej – to tranzystory mocy z azotku galu i węglika krzemu. Urządzenia te konkurują z tranzystorami MOSFET LDMOS i superzłączowymi. Urządzenia wykonane z GaN i SiC są pod pewnymi względami podobne, ale jednocześnie mają znaczące różnice. Podstawową jest o wiele szersza przerwa energetyczna – 3,44 eV dla azotku galu i 3,26 eV dla węglika krzemu. Dla porównania krzem ma przerwę energetyczną równą 1,12 eV, a arsenek galu (GaAs) 1,42 eV.

Co to jest przerwa energetyczna

Przerwa energetyczna, nazywana też pasmem zabronionym, jest jednym z kluczowych parametrów, jakimi opisuje się półprzewodnik, a dokładniej jego strukturę energetyczną. Wiele innych parametrów makroukładu, jakim jest tranzystor, zależnych jest od przerwy energetycznej materiału, z jakiego jest wykonany. Przyjrzyjmy się zatem fizyce kryształu półprzewodnika i pasmom energetycznym w materiałach.

Materiał może być, generalnie, przewodnikiem lub izolatorem (dielektrykiem), w zależności od tego, czy przewodzi on prąd, czy nie. Jednak przewodność jest cechą ciągłą, a nie dyskretną, zero-jedynkową. Zatem są materiały, które przewodzą lepiej oraz są takie, które przewodzą gorzej. Analogicznie jest w przypadku izolatorów – jedne izolują lepiej, inne gorzej… Jest to uzależnione od struktury pasmowej materiału. Siłą rzeczy występują też takie materiały, których parametry klasyfikują je pomiędzy przewodnikami, a dielektrykami. Nazywamy je półprzewodnikami.

Struktura pasmowa ciał stałych czy też pasmowa teoria przewodnictwa to dosyć obszerne tematy, których omówienie wykracza poza ramy tego artykułu. W dużym uproszczeniu chodzi o wartości energii, jaką mogą przyjmować elektrony w danym materiale. Możemy wyróżnić dwa pasma w materiale – pasmo przewodnictwa oraz pasmo walencyjne. Wzajemne ułożenie tych pasm mówi o kluczowych parametrach elektrycznych materiału, w tym o przewodnictwie. Wynika to z faktu, że elektrony w stanie podstawowym znajdują się w pasmie walencyjnym, jednak nie mogą one przewodzić prądu elektrycznego, gdyż nie mogą poruszać się swobodnie po materiale. Z drugiej strony, elektrony, które znajdą się w pasmie przewodnictwa, mogą swobodnie się poruszać w materiale, dzięki czemu zapewniają przepływ ładunku przez materiał.

Pasma walencyjne i przewodnictwa mogą być położone względem siebie na dwa sposoby – odsunięte od siebie lub nachodzące na siebie (rysunek 1).

Rysunek 1. Struktura pasmowa izolatora, półprzewodnika i przewodnika

Odległość pomiędzy pasmem walencyjnym a przewodnictwa nazywana jest przerwą energetyczną (Eg) lub pasmem wzbronionym, ponieważ żaden elektron nie może się tam znaleźć, tj. nie może mieć energii, która przypadałaby na ten zakres. Jeśli odległość pomiędzy pasmami przewodnictwa a walencyjnym jest niewielka, mamy do czynienia z półprzewodnikiem (rysunek 1, środkowa konfiguracja). W większości literatury przyjmuje się za maksymalną wartość przerwy energetycznej 4 eV. Ścisła definicja mówi, że półprzewodnik to materiał o średniej wielkości, niezerowym pasmie wzbronionym, który zachowuje się jak izolator w temperaturze 0 K, ale umożliwia termiczne wzbudzenie elektronów do pasma przewodnictwa w temperaturach poniżej temperatury topnienia tego materiału.

W czystym półprzewodniku zaledwie niewielka część pasma przewodnictwa jest obsadzona przez elektrony w temperaturze pokojowej – taki materiał nieszczególnie nadaje się do wytwarzania urządzeń półprzewodnikowych – nie będzie ani dobrym izolatorem, ani dobrym przewodnikiem. Dlatego półprzewodniki modyfikuje się poprzez domieszkowanie, które zmienia rozłożenie nośników ładunku w materiale lub stosuje się do tej modyfikacji pole elektryczne, które zmienia rozkład elektronów w pasmach.

Na co wpływa przerwa energetyczna w tranzystorze

Przerwa energetyczna definiuje minimalną energię, jaką należy dostarczyć do materiału, aby wzbudzić elektron. Wzbudzenie to może być termiczne bądź elektryczne. Intuicyjnie można pomyśleć, że preferowana jest mała przerwa, która oznacza, że do sterowania danym elementem wystarczy niewielki sygnał. Nie jest to jednak prawda, szczególnie w podzespołach mocy. Tutaj dużo korzystniejsza jest poprawa sprawności, uzyskiwana dzięki zastosowaniu półprzewodnika szerokoprzerwowego.

Szerokość pasma wzbronionego rzutuje na wiele innych parametrów półprzewodników, które z kolei są istotne dla tranzystora. Parametry te to, między innymi, pole przebicia – graniczne pole elektryczne, które może wywołać przebicie tranzystora (czy innego urządzenia półprzewodnikowego) wykonanego z danego materiału. Im wyższe pole, tym z wyższymi napięciami pracować może tranzystor o zadanej geometrii, gdyż napięcie przebicia wzrasta przy zachowaniu rozmiarów tranzystora.

GaN i SiC – nowoczesne materiały szerokoprzerwowe

Materiały o przerwie energetycznej znacznie większej od krzemu, bliskie umownej granicy pomiędzy półprzewodnikami a izolatorami, nazywa się półprzewodnikami szerokoprzerwowymi. Nie istnieje ścisła wartość, powyżej której pasmo wzbronione jest już „szerokie”, ale umownie przyjmuje się, że materiał musi charakteryzować się Eg>2 eV, aby móc mówić o półprzewodniku szerokoprzerwowym.

Istnieje wiele półprzewodników szerokoprzerwowych, jakie stosuje się we współczesnej elektronice. Materiały te często charakteryzują się nie tylko szerokim pasmem wzbronionym i wysokim polem przebicia, ale również dużą ruchliwością nośników i prędkością ich dryfu. Dodatkowo, półprzewodniki mają również wysoką przewodność cieplną, co nie tylko pozwala na budowę elementów o wysokiej sprawności, ale także takich, które wydajniej odprowadzają ciepło. Spośród półprzewodników szerokoprzerwowych dwa – azotek galu i węglik krzemu – doczekały się szerszego zastosowania w przemyśle elektronicznym. Przyjrzyjmy się im bliżej, ponieważ mają bardzo ciekawe zastosowania i charakterystyki.

Azotek galu

Azotek galu to dwuskładnikowy półprzewodnik o bezpośredniej przerwie energetycznej o szerokości około 3,4 eV, co odpowiada emisji przy około 360 nm (bliski ultrafiolet), dzięki czemu półprzewodnik ten znalazł, w pierwszej kolejności, zastosowanie w elementach optoelektronicznych, takich jak diody elektroluminescencyjne i lasery półprzewodnikowe. Na początku lat 90. azotek galu uznano za doskonały materiał półprzewodnikowy nowej generacji do produkcji tranzystorów dużej mocy/wysokiej częstotliwości, bazując na parametrach materiałowych pasma wzbronionego, ruchliwości elektronów i prędkości nasycenia elektronów. Brak źródła GaN doprowadził do konieczności hodowli GaN na niedopasowanych podłożach, takich jak Si, SiC czy szafir, ale fundamentalny rozwój materiału kontrolowało tempo dojrzewania technologii GaN zarówno w zastosowaniach elektronicznych, jak i optoelektronicznych. Rozwój GaN dla elektroniki skupiał się w zakresie systemów RF i był znacząco wspomagany przez intensywny rozwój, który miał miejsce w wyścigu do produkcji pierwszych niebieskich i ostatecznie białych diod elektroluminescencyjnych (LED). Ostatecznie postępy w rozwoju heterostruktur z azotku galu glinu (AlGaN)/GaN, o jakości stosowanej w urządzeniach, doprowadziły do stworzenia rekordowych wzmacniaczy RF.

W 2010 roku pierwsze tranzystory GaN w trybie rozszerzonym stały się powszechnie dostępne [27]. Dostępne były tylko tranzystory n-kanałowe [27]. Urządzenia te zostały zaprojektowane w celu zastąpienia tranzystorów MOSFET mocy w zastosowaniach, w których szybkość przełączania lub wydajność konwersji energii ma kluczowe znaczenie. Tranzystory te są zbudowane przez nałożenie cienkiej warstwy GaN na wierzch standardowej płytki krzemowej, często nazywanej przez producentów GaN-on-Si [28]. Pozwala to tranzystorom FET na utrzymanie kosztów podobnych do krzemowych tranzystorów MOSFET, ale z doskonałą wydajnością elektryczną GaN. Innym pozornie realnym rozwiązaniem dla realizacji HFET z kanałem GaN w trybie wzmocnienia jest zastosowanie dopasowanej do sieci czwartorzędowej warstwy AlInGaN o akceptowalnie niskim spontanicznym niedopasowaniu polaryzacji do GaN [29].

Układy scalone GaN do obwodów zasilania monolitycznie integrują GaN FET, obwody napędowe oparte na GaN i ochronę obwodów w jednym urządzeniu do montażu powierzchniowego[30] [31]. Integracja oznacza, że ​​pętla sterowania bramką ma zasadniczo zerową impedancję, co dodatkowo poprawia wydajność, praktycznie eliminując straty wyłączania FET. Badania naukowe nad stworzeniem niskonapięciowych układów zasilania GaN rozpoczęto na Uniwersytecie Nauki i Technologii w Hongkongu (HKUST), a pierwsze urządzenia zademonstrowano w 2015 roku. Komercyjna produkcja układów zasilania GaN rozpoczęła się w 2018 roku.

Węglik krzemu

Węglik krzemu to drugi, dwuskładnikowy półprzewodnik stosowany w elektronice mocy. Materiał ten ma skośną przerwę energetyczną od 2,36 eV do 3,25 eV – różnice te wynikają z przyjmowania przez ten materiał różnych rodzajów struktury krystalicznej. W elektronice wykorzystuje się głównie jedną z nich, która ma przerwę energetyczną równą 3,25 eV. W tej odmianie kryształ przyjmuje heksagonalną strukturę krystaliczną.

Główną zaletą węglika krzemu, dzięki której skupił na sobie duże zainteresowanie przemysłu, jest jego twardość, która wynosi 1150 (według skali Brinella)/9,5 (skali Mohsa). Inną jego zaletą jest bardzo wysoka odporność termiczna. Z uwagi na to znalazł swoje pierwsze zastosowanie jako materiał do wytwarzania materiałów ściernych czy tnących.

W 1993 roku węglik krzemu skupił na sobie dostateczne zainteresowanie przemysłu półprzewodnikowego – zarówno w zakresie prowadzenia dalszych badań, jak i wdrożenia do produkcji masowej elementów elektronicznych z SiC. Pierwszymi dostępnymi urządzeniami były diody Schottky’ego, a następnie tranzystory FET z bramką złączową i tranzystory MOSFET do przełączania o dużej mocy.

Głównym problemem komercjalizacji SiC była eliminacja defektów w strukturze półprzewodnika. W rezultacie urządzenia wykonane z SiC początkowo wykazywały słabą skuteczność blokowania przepływu prądu w kierunku zaporowym, chociaż badacze próbowali znaleźć rozwiązania poprawiające napięcie przebicia. Oprócz jakości kryształów, problemy z interfejsem SiC z dwutlenkiem krzemu utrudniały rozwój tranzystorów MOSFET mocy bazujacych na SiC i tranzystorów bipolarnych z izolowaną bramką. Chociaż mechanizm jest nadal niejasny, azotowanie radykalnie zmniejszyło defekty powodujące problemy z interfejsem.

W 2008 roku na rynek wprowadzono pierwsze komercyjne tranzystory JFET o napięciu pracy do 1200 V, a w 2011 r. pierwsze komercyjne tranzystory MOSFET o takim samym napięciu pracy. Obecnie dostępne są JFET o napięciu znamionowym od 650 V do 1700 V i rezystancji kanału zaledwie 25 mΩ. Główne wyzwania dla pełnego uwolnienia możliwości urządzeń zasilających SiC to:

• sterowanie bramki – urządzenia SiC często wymagają poziomów napięcia napędu bramki, które różnią się od ich krzemowych odpowiedników i mogą być nawet niesymetryczne, na przykład +20 V i –5 V;
• ibudowy – chipy SiC mogą mieć wyższą gęstość mocy niż krzemowe urządzenia zasilające i są w stanie wytrzymać wyższe temperatury przekraczające granicę stosowania krzemu, wynoszącą 150°C. Potrzebne są tutaj nowe technologie mocowania układów w obudowach, a także nowatorskie metody skutecznego odprowadzania ciepła z urządzeń.

Podsumowanie

W tabeli 1 porównano kluczowe parametry kilku współcześnie stosowanych półprzewodników z węglikiem krzemu i azotkiem galu, które również powoli penetrują przemysł półprzewodnikowy.

Półprzewodniki szerokoprzerwowe są wartościową alternatywą dla krzemu, szczególnie w zakresie komponentów wysokiej mocy. Dzięki parametrom tych materiałów pozwalają one na konstrukcję elementów mocy, które umożliwiają budowę urządzeń o wysokiej sprawności, dużej mocy i niewielkiemu rozmiarowi. Takie rozwiązania rewolucjonizują wiele sektorów, takich jak elektromobilność, ładowarki do laptopów czy systemy energetyki odnawialnej i magazyny energii.

Nikodem Czechowski, EP

Źródła

• Haiwei Jin, Li Qin, Lan Zhang, Xinlin Zeng, Rui Yang „Review of wide band-gap semiconductors technology”, MATEC Web of Conferences 40 (2016).
• https://bit.ly/3Dl0Bqv
• https://bit.ly/3U4zfuz
• https://bit.ly/3U7r0xE
• https://bit.ly/3U4N2kQ
• David W. Runton, Brian Trabert, Jeffrey B. Shealy, and Ramakrishna Vetury „History of GaN: High-Power RF Gallium Nitride (GaN) from Infancy to Manufacturable Process and Beyond”. IEEE Microwave Magazine 14 (2013).
• Yaozong Zhong, Jinwei Zhang, Shan Wu, Lifang Jia, Xuelin Yang, Yang Liu, Yun Zhang, Qian Sun, „A review on the GaN-on-Si power electronic devices”, Fundamental Research 2 (2022).
• Michael Meißer, „Resonant Behaviour of Pulse Generators for the Efficient Drive of Optical Radiation Sources Based on Dielectric Barrier Discharges”, KIT Scientific Publishing 2013.
• Masafumi Horio, Yuji Iizuka, Yoshinari Ikeda, „Packaging Technologies for SiC Power Modules”, FUJI ELECTRIC REVIEW 58 (2012).