Iñigo Neila Applying numerical simulation to model SiC semiconductor devices 13

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1 Iñigo Neila Applying numerical simulation to model SiC semiconductor devices Los principales atributos del carburo de silicio El incesante y continuo desarrollo de la electrónica de alta potencia conlleva una nueva demanda y requerimientos tanto para la fabricación de dispositivos como para el material semiconductor utilizado. La ya bien conocida tecnología del silicio no es capaz de soportar este tipo de condiciones. Casi todos los dispositivos que están basados en la tecnología tradicional de silicio no son capaces de operar a temperaturas por encima de los 250ºC, especialmente cuando las condiciones de corriente de fuente se combinan junto con alta frecuencia y ambientes con elevada radiación. Es por ello, que materiales compatibles al silicio, como es el carburo de silicio (SiC), recibe ahora un especial interés dadas las propiedades eléctricas únicas que presenta en relación con otros semiconductores. Recientes descubrimientos han demostrado que el SiC es un material electrónico muy prometedor especialmente para el uso de dispositivos semiconductores operando a altas temperaturas, elevada potencia y altas frecuencias. La búsqueda y el interés comercial en el SiC se ha incrementado últimamente debido a la disponibilidad de SiC de alta calidad y a los avances generales en las técnicas de fabricación de materiales. El carburo de silicio es un posible candidato para remplazar al silicio en un futuro próximo[12]. La demostración de dispositivos de SiC con propiedades destacadas viene siendo mostrada durante algún tiempo [13, 14] y los problemas son ahora más de costes de producción y asuntos de fiabilidad [15]. Algunas de las posibles aplicaciones del SiC a la electrónica de potencia son para motores de turbina avanzados, sistemas de propulsión, electrónica de automóvil y aeroespacial y aplicaciones que requieran una gran resistencia a la radiación [16]. Propiedades tales como un elevado campo eléctrico de ruptura, elevada velocidad de saturación de los electrones, pequeña constante dieléctrica, una movilidad de los electrones razonablemente elevada así como una elevada conductividad térmica hacen del SiC un atractivo candidato para la fabricación de dispositivos eléctricos con reducidas pérdidas de potencia y tamaño mínimo. En la electrónica de potencia, el gran ancho de banda del SiC se traduce en alto valor del campo eléctrico. Este alto valor del campo eléctrico permite el diseño de dispositivos que tienen una pequeña resistencia serie y pequeña potencia disipada. La conductividad en ambientes con elevada temperatura y el alto valor del campo eléctrico

2 Iñigo Neila Applying numerical simulation to model SiC semiconductor devices 14 de ruptura sugiere también una mayor capacidad de integración y por tanto mayor densidad de encapsulado, por tanto se consigue una mejora en la capacidad de manejo de estos dispositivos [16]. Todas estas únicas características hacen del SiC un material muy a tener en cuenta en el diseño de dispositivos en un futuro próximo. Tabla 3.1: Una comparación de una selección de propiedades eléctricas del Si y tres posibles SiC para aplicaciones de dispositivos eléctricos [16-21]. Parámetro Si 4H-SiC 6H-SiC 3C-SiC Densidad (g/cm 3 ) Punto de fusión Ancho de banda (ev) Movilidad electrón µ n (cm 2 /Vs) Movilidad hueco µ p (cm 2 /Vs) µ /µ Velocidad saturación electrones V SAT (cm/s) Campo eléctrico de ruptura E C (V/cm) [s] Permitividad ε a 300 K para c Permitividad ε a 300 K para c Conductividad termal a 300 K λ (W/cmK) Resistividad (cm) 1000 >

3 Iñigo Neila Applying numerical simulation to model SiC semiconductor devices Estructura cristalina del SiC. Bandas de energía Existe una gran variedad de estructuras de SiC conocidas como politipos. Los politipos no se diferencian en el número de átomos de Si y C sino en la manera en la que se agrupan estos átomos en capas. Los politipos se nombran de acuerdo a la periodicidad de estas capas. Así por ejemplo el 6H-SiC, tiene una estructura hexagonal. Existen 6 capas de átomos de Si y C antes de que el patrón vuelva a repetirse. Se conocen más de 200 politipos diferentes algunos en cuyo caso el patrón no se repite por cientos de capas. Las estructuras más comúnmente utilizadas son los politipos hexagonales 6H y 4H y la cúbica 3C [22]. Los politipos se diferencian en la secuencia de apilamiento de las dobles capas de átomos de Si y C. En todos los politipos, cada átomo de Si y de C tiene un enlace tetraédrico, así cada Si tiene cuatro enlaces a C y viceversa. De los cuatro átomos del tetraedro tres tienen la misma distancia al átomo central y uno tiene una distancia diferente dependiendo del politipo.

4 Iñigo Neila Applying numerical simulation to model SiC semiconductor devices 16 Bandas de energía del SiC [40] - Estructura de bandas del 3C-SiC

5 Iñigo Neila Applying numerical simulation to model SiC semiconductor devices 17 - Estructura de bandas del 4H-SiC - Estructura de bandas del 6H-SiC