СОВРЕМЕННЫЕ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ СЛЕДУЮЩЕГО ДЕСЯТИЛЕТИЯ (2020-2030 ГГ.)

А. А. Демидов; С. Б. Рыбалка

doi:10.52575/2687-0959-2021-53-1-53-72

Авторы

А. А. Демидов Брянский государственный технический университет http://orcid.org/0000-0002-8639-3575
С. Б. Рыбалка Брянский государственный технический университет http://orcid.org/0000-0002-7746-3009

DOI:

https://doi.org/10.52575/2687-0959-2021-53-1-53-72

Ключевые слова:

кремний (Si), карбид кремния (SiC), нитрид галлия (GaN), алмаз, оксид галлия (Ga 2 O 3 ), нитрид алюминия (AlN), нитрид бора (BN), силовая микроэлектроника.

Аннотация

В обзоре рассмотрены современные и перспективные полупроводниковые материалы (кремний (Si), карбид кремния (SiC), нитрид галлия (GaN), алмаз, оксид галлия (Ga₂O₃ ), нитрид алюминия (AlN), нитрид бора (BN)) с точки зрения их использования при импортозамещении существующих и создании новых изделий микроэлектроники. Дана оценка перспективности использования наиболее актуальных полупроводниковых материалов в ближайшее десятилетие.

Скачивания

Данные скачивания пока недоступны.

Библиографические ссылки

Белоус А. И., Ефименко С. А., Турцевич А. С. 2013. Полупроводниковая силовая электроника. М., Техносфера. 216.

Бондарь Д. 2019. Полупроводниковая микроэлектроника - 2018 г. Электронные компоненты. 1: 12-17.

Вавилов В. С. 1994. Особенности физики широкозонных полупроводников и их практических применений. УФН. 164(3): 287-296.

Вавилов В. С, Конорова Е. А. 1976. Полупроводниковые алмазы. УФН. 118:611-639.

Гольцова М. 2012. Moщные GaN-транзисторы. Истинно революционная технология. Электроника НТБ. 4: 86-100.

Гольцова М. 2014. Силовая полупроводниковая электроника Многообещающие технологии становятся реальностью. Электроника НТБ. 4:54-100.

Громов В., Брюхно Н., Демидов А., Дракин А, Зотин В., Кульченков Е., Рыбалка С. 2018. Исследование стойкости SiC-диодов Шоттки ЗАО «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ» к скорости нарастания обратного напряжения. Силовая электроника. 71(2): 10-12.

Гудилин Д. 2014. "Группа Кремний Эл": новая отечественная элементная база для силовой электроники. Электроника НТБ. 8: 92-96.

Желаннов А. В., Удальцов В. Е., Федоров Д. Г. 2012. Исследование силовых диодов Шоттки на основе нитрида галлия. Вестник Новгородского государственного университета им. Ярослава Мудрого. 68: 92-94.

Кукушкин С. А. , Николаев В. И., Осипов А. В., Осипова Е. В., Печников А. И., Феоктистов Н. А. 2016. Эпитаксиальный оксид галлия на подложках SiC/Si. ФТТ. 58(9): 1812-1817.

Кульченков E. А., Рыбалка С. Б., Демидов А. А., Дракин А. Ю. 2020. Расчет характеристик карбидокремниевых диодов Шоттки для малогабаритных метеллополимерных корпусов.Прикладная математика & Физика. 52(1): 33-40.

Лебедев А. А, Иванов П. А, Левинштейн М. Е, Мохов Е. Н, Нагалюк С. С, Анисимов А. Н, Баранов П. Г. 2019. Электроника на основе SiC (к 100-летию Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН. УФН. 189: 803-848.

Михайлов А. И. Физико-технологические основы формирования канала силового МДП-транзистора на карбиде кремния: дис. ... канд. техн. наук: 05.27.01/ Михайлов Алексей Игоревич. - СПб., 2018. 182 с.

Рожков М. А., Колодезный Е. С., Смирнов А. М., Бугров В. Е., Романов А. Е. 2015. Сравнение характеристик диодов Шоттки на основе Ga 2 O 3 и других широкозонных полупроводниковых материалов. Физика и механика материалов. 24(2): 194-200.

Розанов Ю. К. 2018. Силовая электроника. Эволюция и применение. М.: Знак. 140.

Рыбалка С. Б., Демидов А. А., Кульченков E. А., Дракин А. Ю. 2018. Исследование dv/dt характеристик карбидокремниевых диодов Шоттки. Научные ведомости БелГУ. Серия: Математика. Физика. 50(4): 460-468.

Середин П. В., Голощапов Д. А., Леньшин С. и др. 2016. Особенности роста и структурно спектроскопические исследования нанопрофилированных пленок AlN, выращенных на разориентированных подложках GaAs. Физика и техника полупроводников. 50(9): 1283-1294.

Хмельницкий Р. А., Талипов Н. Х., Чучева Г. В. 2017. Синтетический алмаз для электроники и оптики. М.: Изд-во ИКАР, 228.

Alivov Ya. I. et al. 2003. Fabrication and characterization of n-ZnO/p-AlGaN heterojunction light emitting diodes on 6H-SiC substrates. Appl. Phys. Lett. 83(23): 4719-4721.

Amano H., Baines Y., Beam E., Borga M., Bouchet T., Chalker P. et al. 2018. The 2018 GaN power electronics roadmap. Journal of Physics D: Applied Physics. 51(16): 163001.

Arbet-Engels V., Chang W., Yablonovich E. et al. 1995. Flexible, thin-film, GaAs hetero-junction bipolar transistors mounted on natural diamond substrates. Solid State Electronics. 38(11): 1972-1974.

Balasubramanian C., Bellucci S., Cinque G., Marcelli A., Guidi M. C., Piccinini M., Popov A., Soldatov A., Onorato P. 2006. Characterization of aluminium nitride nanostructures by XANES and FTIR spectroscopies with synchrotron radiation. J. Phys. Condens. Matter. 18(33): S2095.

Baliga B. J. 2008. Fundamentals of Power Semiconductor Devices, Berlin-Springer-Verlag, 1085.

Baliga B. J. 2013. Gallium nitride devices for power electronic applications. Semicond. Sci. Technol. 28(7): 074011.

Baliga B. J. 2019. Wide Bandgap Semiconductor Power Devices: Materials, Physics, Design, and Applications, Woodhead Publishing-Elsevier Science, 600.

Bathe R., Vispute R. D., Habersat D., Sharma R. P., Venkatesan T., Scozzie C. J., Ervin M., Geil B. R., Lelis A. J., Dikshit S. J., Bhattacharya R. 2001. AlN thin films deposited by pulsed laser ablation, sputtering and filtered arc techniques. Thin Sol. Films, 398-399: 575.

Bert N. A., Bondarev A. D., Zolotarev V. V., Kirilenko D. A., Lubyanskiy Y. V., Lyutetskiy A. V., Slipchenko S. O., Petrunov A. N., Pikhtin N. A., Ayusheva K. R., Arsentyev I. N., Tarasov I. S. 2015. Properties of AlN films deposited by reactive ion-plasma sputtering. Semiconductors, 49: 1383.

Chow T. P., Li Z. 2012. Recent advances in high-voltage GaN MOS-gated transistors for power electronics applications. Chap. 8 in: S. Pearton (Ed.), GaN and ZnO-based Materials and Devices. Springer, 239-250.

Chow T. P., Omura I., Higashiwaki M., Kawarada H., Pala V. 2017. Smart power devices and ICs using GaAs, wide and extreme bandgap semiconductors. IEEE Trans. Electron Devices. 64(3): 856-873.

Chow T. P., Tyagi R. 1994. Wide bandgap compound semiconductors for superior high-voltage unipolar power devices. IEEE Trans. Electron Devices. 41(8): 1481-1483.

Dutta M., Koeck F. A. M., Li W., Nemanich R. J. and Chowdhury S. 2017. High Voltage Diodes in Diamond Using (100)- and (111)- Substrates. IEEE Electron Devices Lett. 38(5): 600-603.

Felice V., Antoine P., Claudio T. 2019. Quad Flat No-lead pacage. Patent US, US2019131197 (A1).

Garcia-Mendez M., Morales-Rodriguez S., Galvan D. H., Machorro R. 2009. Characterization of AlN thin films fabricated by reactive DC sputtering: experimental measurements and Huckel calculations. Int. J. Mod. Phys. B. 23(9): 2233-2251.

Ghandhi S. K. 1977. Semiconductor Power Devices. Wiley, New York. 329.

Hashimoto A., Koiwa I. Low-κ Materials and Development Trends. 2009. In: Shacham-Diamand Y., Osaka T., Datta M., Ohba T. (eds) Advanced Nanoscale ULSI Interconnects: Fundamentals and Applications. Springer, New York, NY, 145-151.

Hitoshi Umezawa. 2018. Recent advances in diamond power semiconductor devices. Materials Science in Semiconductor Processing. 78: 147-156.

Ho C. J., Shing T. K., Li P. C. 2004. Preferred orientation control and characterization of AlN thin films using reactive sputtering. Tamkang Journal of Science and Engineering. 7(1): 14.

https://www.interfax.ru/business/450586; http://atomicexpert.com/page785032.html.

Kalinina E. V. et al. 1996. Schottky barriers on n-GaN grown on SiC. J. Electron. Mater. 25(5): 831-834.

Kaminski N., Hilt O. 2014. SiC and GaN devices - wide bandgap is not all the same. IET Circuits, Devices Syst. 8(3): 227-236.

Kang Y. H. Semiconductor Technologies in the Era of Electronics. Dordrecht: Springer, 2014 – 149 p.

Kang Y. H., Hu H. Y., Han B. G., Su H. 2019. A reconfigurable solid-state plasma dipole antenna based on SPiN diodes. Microelectronic Engineering. 214: 55-59.

Khan S., Shahid M., Mahmood A., Shah A., Ahmed I., Mehmood M., Aziz U., Raza Q., Alam M. 2015. Texture of the nano-crystalline AlN thin films and the growth conditions in DC magnetron sputtering. Nat. Sci. Mater. Int., 25(4): 282-290.

Kim Jae-Keun, Jeong Sang-hun. 2001. Effects of deposition parameters on AIN film growth using reactive DC magnetron sputtering. J. Korean Phys. Soc. 38(1): 19-24.

Kimoto T., Cooper J. A. 2014. Fundamentals of Silicon Carbide Technology. Growth, Characteriztion, Devices, and Applications. New York: Wiley-IEEE Press, 555.

Kimoto T., Yonezawa Y. 2018. Current status and perspectives of ultrahigh-voltage SiC power devices. Materials Science in Semiconductor Processing. 78: 43-56.

Kumari N., Singh A. K., Barhai P. K. 2014. Study of Properties of AlN Thin Films Deposited by Reactive Magnetron SputteringInt. J. Thin Films Sci. Technol. 3(2): 43-49.

Lawrence S. Pan, Don R. Kania. 1995. Diamond: Electronic Properties and Applications. Boston-Kluwer Academic Publishers, Springer. 472.

Li Z., Waldron J., Dayal R., Parsa L., Hella M. and Chow T. P. 2012. High voltage normally-off GaN MOSC-HEMTs on silicon substrates for power switching applications. Proc. 24th International

Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs 2012. 45-48. Bruges.

Liu J. W., Oosato H., Liao M. Y. and Koide Y. 2017. Enhancement-mode hydrogenated diamond metal-oxide-semiconductor field-effect transistors with Y 2 O 3 oxide insulator grown by electron beam evaporator. Appl. Phys. Lett. 110(20): 203502-1-203502-5.

Lu D., Wong C.P. 2017. Materials for Advanced Packaging. Springer International Publishing Switzerland. 969.

Millan J., Godignon P., Perpina X., Perez-Tomas A., Rebollo J. 2014. A Survey of Wide Bandgap Power Semiconductor Devices. IEEE Transactions on Power Electronics, 29(5), 2155-2163.

Mishra U. K., Parikh P., Wu Y. F. 2002. AlGaN/GaN HEMTs - An overview of device operation and applications. Proc. IEEE. 90(6):1022-1031.

Mishra U. K., Shen L., Kazior T. E. and Wu Y. 2008. GaN-Based RF Power Devices and Amplifiers. Proc. IEEE. 96(2): 287-305.

Oh Seunghoon. QFN manufacturing method of QFN semiconductor package. Patent KR, No. KR20190094983 (A), 2019.

Panchenko P. V., Rybalka S. B., Malakhanov A. A., Demidov A. A. et al. 2017. Silicon carbide of Ni/6H-SiC and Ti/4H-SiC type Schottky diode current-voltage characteristics modelling. J. Phys.: Conf. Ser. 917: 082010.

Pengelly R. S. et al. 2012. A review of GaN on SiC high electron-mobility power transistors and MMICs. IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 60(6): 1764–1783.

Polyakov A. Y., Smirnov N. B., Shchemerov I. V., Yakimov E. B., Nikolaev V. I., Stepanov S. I. et al. 2019. Deep trap spectra of Sn-doped α-Ga2O3 grown by halide vapor phase epitaxy on sapphire. APL Materials. 7(5): 051103-1−051103-1.

Recommendations for Board Assembly of Infineon Discrete Quad-Flat No-Lead Packages, Infineon Technologies AG, edition 2018-09-19, Munich, Germany https://www.infineon.com/dgdl/Infineon- Board_Assembly_of_Discrete_Quad_Flat_No_Lead_ Packages-AN-v01_00-EN.pdf?fileId= 5546d462677d0f46016783ff4d1f7edf).

Roussel P. 2011. SiC Market and Industry Update, Int. SiC Power Electronics Applications Workshop 2011, ISiCPEAW, Kista, Sweden.

Rybalka S. B., Kulchenkov E. A., Demidov A. A., Zhemoedov N. A., Drakin A. Yu. 2020. Determination of dV/dt and dI/dt characteristics for high voltage 4H-SiC Schottky diodes with different types of metal-polymeric packages. J. Phys.: Conf. Ser. 1679: 022045.

Sedykh S. V., Rybalka S. B., Drakin A. Yu., Demidov A. A. et al. 2018. Ti/4H-SiC Schottky diode breakdown voltage with different thickness of 4H-SiC epitaxial layer. J. Phys.: Conf. Ser., 1124: 071012.

Sedykh S. V., Rybalka S. B., Drakin A. Yu., Demidov A. A., Kulchenkov E. A. 2019. Determation of dV/dt values for domestic SiC Schottky diodes. J. Phys.: Conf. Ser., 1410: 012195.

Seokmo Hong , Chang-Seok Lee, Min-Hyun Lee et al. 2020. Ultralow-dielectric-constant amorphous boron nitride. Nature, 582: 511-514.

SiC and GaN, two key segments for the power semiconductor industry, June 23, 2020, Yole, i- Micronews. https://www.i-micronews.com/sic-and-gan-two-key-segments-for-the-power-semiconductor-industry/

Stepanov S. I., Nikolaev V. I., Bougrov V. E., Romanov A. E. 2016. Gallium oxide: properties and applications - a review. Reviews on Advanced Materials Science, 44(1): 63-86.

Ueda D. 2015. Renovation of power devices by GaN-based materials. Proc. 2015 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), 16.4.1–16.4.4, Washington-DC, USA.

Wang Guoqing, Huang Zhengxin. SOT-23 (Small Outline Transistor-23) surface mount device packaging structure. Patent CN, No. CN106711133 (A), 2017.

Yole Development. Power GaN 2019: Epitaxy, Devices, Applications and Technology Trends Market and Technology Report 2019 (https://s3.i- micronews.com/uploads/2019/11/YD19056_Power_GaN_

_Epitaxy_Devices_Applications_Technology_Trends_Yole_Nov2019_Sample.pdf)

Zhang J. X., Cheng H., Chen Y. Z., Uddin A., Yuan S., Geng S. J., Zhang S. 2005. Growth of AlN Films on Si(100) and Si(111) Substrates by Reactive Magnetron Sputtering. Surf. Coat. Technol. 198(1-3: 68-73.

Zhang Ziyue; Huang Zhengxin, Liu Jiabin. SOT-23 packaging structure. Patent CN, CN203644753 (U), 2014.