گیت OR/NOR مجتمع دو قطبی پانصد درجه سلسیوس در ۴H-SiC

گیت OR/NOR مجتمع دو قطبی پانصد درجه سلسیوس در ۴H-SiC – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه برق – الکترونیک

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

گیت OR/NOR مجتمع دو قطبی ۵۰۰ درجه سلسیوس در ۴H-SiC

چکیده

کاربرد موفقیت آمیز ترانزیستورهای دو قطبی فشار ضعیف ۴H-SiC و مدارهای مجتمع دیجیتال بر مبنای منطق تزویج امیتر از ۴۰- درجه سلسیوس تا ۵۰۰ درجه سلسیوس گزارش شده است. وابستگی غیر یکنواخت دمایی (قبلاً مشخص شده بر مبنای شبیه سازی های پیش بینی شده، اما در حال حاضر بر اساس برآوردها) نیز برای بهره جریان ترانزیستور مشخص شده است. این مورد، در محدوده ۴۰-  درجه سلسیوس الی ۳۰۰ درجه سلسیوس، به هنگام افزایش دما، با کاهش و در محدوده ۳۰۰ الی ۵۰۰ درجه سلسیوس با افزایش روبرو می شود. حاشیه های پایدار امنیت / نویز تقریبا۱ V   برای یک گیت OR/NOR دارای دو ورودی، با قابلیت ولتاژ ورودی ۱۵-  ولت، از ۰ الی ۵۰۰ درجه سلسیوس، برای هر دو خروجی OR و NOR اندازه گیری شد.

کلمات کلیدی: ترانزیستور پیوند دو قطبی (BJT)، منطق تزویج امیتر (ECL)، مدارهای مجتمع دارای دمای بالا (ICها)، گیت OR/NOR، سیلیکون کاربید (SiC)

گیت OR/NOR مجتمع دو قطبی پانصد درجه سلسیوس در ۴H-SiC

۱- مقدمه

در ابتدای مقاله باید قدردان باند گپ یا گاف نوار [۱] سیلیکون کاربید (SiC) بود که مزیت های معنی دار و مهمی را در ارتباط با کاربردهای دمایی بالا ارائه داده که کاملا در ارتباط با بسیاری از کاربردهای مهم دیگر متمایز می باشد [۲]. گیت های دیجیتال نیمه هادی اکسید- فلز تکمیلی (CMOS) در ابتدا تا ۳۰۰ درجه سلسیوس را در ۶H-SiC تحت پوشش قرار داده [۳]، و اخیراً این ویژگی تا ۴۰۰ درجه سلسیوس در ۴H-SiC با توجه به مدارهای آنالوگ رسیده است [۴]. گیت های دیجیتال مبتنی بر – JFET در ۶H-SiC نیز هم اکنون ویژگی عملیاتی خود را تا ۵۵۰ درجه سلسیوس گسترش داده اند [۵]. با این حال، به هنگام افزایش دما، کارایی اینورتور مبتنی بر JFET با تنزل روبرو می شود. حاشیه امنیت/ نویز (NM) بالای آن به طور قابل توجهی در دمای بالاتر کاهش می یابد. ICهای دو قطبی دمای بالا نیز در ۴H-SiC ارائه شده اند. ICهای دیجیتال در ابتدا بر مبنای منطق ترانزیستور – ترانزیستور تا ۳۵۵ درجه سلسیوس ارائه شدند [۶]، و اخیراً بر مبنای منطق تزویج امیتر (ECL) عرضه گردیده اند [۷]. در مقایسه با اینورتور JFET از قبل ذکر شده، NMها که برای گیت های OR/NOR مبتنی بر ECL گزارش شده اند از پایداری مناسبی برخوردار بوده و با بهره گیری از حدوداً ۱ V قابلیت ارائه عملیات از دمای ۲۷ درجه سلسیوس الی ۳۰۰ درجه سلسیوس را خواهند داشت [۷].

این مقاله عملیات توام با موفقیت از ۴۰- درجه سلسیوس الی ۵۰۰+ درجه سلسیوس یک گیت OR/NOR مجتمع را گزارش می نماید. این مولفه از طرح یکسان گزارش شده در مرجع [۷] و از ترانزیستورهای دو قطبی با عملکرد ارتقا یافته در دمای بالا و بهره جریان (β) با قابلیت افزایش تا بیش از ۳۰۰ درجه سلسیوس استفاده نموده است.  

گیت OR/NOR مجتمع دو قطبی پانصد درجه سلسیوس در ۴H-SiC

۲- ساخت

در این مقاله، یک روساختار شش لایه ای  در یک رویه آزمایشی پیوسته بر روی یک ویفر ۴H-SiC نوع ـ n 2 اینچی رشد داده شد.

نمای سطح مقطع و تصویر نوری ترانزیستورهای SiC n-p-n ساخته شده در شکل ۱ (الف) و (ب) به ترتیب نشان داده شده اند.

فرایند ساخت از طریق شکل دهی امیتر، پایه و کلکتور یا سیستم جمع کننده به وسیله حکاکی با یون واکنشگر اعمال شد. اکسایش فداشونده تحت شرایط محیطی N₂O، فرایند کم اثرسازی سطحی با اعمال رسوب بخار شیمیایی ارتقا یافته پلاسمای ۵۰ نانومتری (PECVD) ـ با توجه به SiO₂ اعمال شد و متعاقباً فرایند آنیلینگ رسوب پس- اکسید در N₂O تحت شرایط دمای ۱۲۵۰ درجه سلسیوس اعمال شد [۸]. دو پشته مختلف فلزی (Ni و Ni/Ti/Al برای نوع n و p به ترتیب) رسوب گذاری، الگوگذاری و آنیلینگ گردید تا قابلیت تشکیل اتصالات اهمی برای لایه امیتر، پایه و جمع کننده به وجود آید (جزئیات بیشتر را می توان در مرجع [۷] و [۸] یافت). یک لایه PECVD SiO₂ با ضخامت ۱ میکرومتر نیز به عنوان دی الکتریک سطح میانی رسوب داده شد، در حالی که یک پشته Ti/TiW/Al (30/70/1000 nm) بر مبنای فرایند رسوب گذاری پاششی و الگوبرداری به منظور فراهم آوردن کلیه اتصالات بینابینی اعمال شد.

گیت OR/NOR ساخته شده، که تصویر نوری آن در شکل ۲ نشان داده شده است، متشکل از ۱۰ ترانزیستور n-p-n و ۱۱ رزیستور مجتمع می باشد، که دارای مجموع مساحت تقریباً ۱ mm² می باشد. n-p-n ایزوله [شکل ۱ (ب)] دارای مساحت۱۶۲٫۵ μm × ۱۰۵ μm  و امیتر مربوطه نیز با مساحت ۳۰ μm × ۹۰ μm  مشخص شد. رزیستورهای مجتمع در لایه امیتر یا پایه بر مبنای اندازه مقاومت طراحی شده مشخص شدند [۷].

گیت OR/NOR مجتمع دو قطبی پانصد درجه سلسیوس در ۴H-SiC

۳- نتایج و مباحث

ویژگی های استاتیک ابزاره های آزمایشی و گیت های منطقی به وسیله سیستم آزمایش مستقیم ویفر و با بهره گیری از یک سری از گیره های داغ برای محدوده های دمایی ۴۰- درجه سلسیوس الی ۲۷ درجه سلسیوس و ۲۷ درجه الی ۵۰۰ درجه سلسیوس حاصل شد.

مقاومت صفحه ای امیتر، پایه و لایه کلکتور دوپه شده سطح بالا با استفاده از روش طول انتقال اندازه گیری شد. در دمای اتاق، این مقاومت صفحه ای به میزان ۱۷۰ kW / مربع، ۸۴ kW / مربع و ۳۰۰ kW/ مربع، برای لایه امیتر، پایه و کلکتور به ترتیب اندازه گیری و مشخص شد.

الف. عملکرد ابزاره

شکل ۳ نشان دهنده نمودار بهره مستقیم جریان (β در برابر I_C) می باشد که با V_BC=0 V از ۴۰- الی مثبت ۵۰۰ درجه سلسیوس اندازه گیری شده است. در دمای ۲۷ درجه سلسیوس بهره جریان (β) به حداکثر مقدار ۷۰ در I_C =11 mA رسیده و به طور ناگهانی برای جریان کلکتور بالاتر با نزول روبرو می گردد که علت آن را می توان تزریق بالا در کلکتور دوپه شده اندک و بایاس مستقیم پیوند پایه ـ جمع کننده خواند. اشباع ابزار به وسیله جریان عرضی I_C در لایه کلکتور دوپه شده سنگین رخ می دهد، که تشکیل دهنده ویژگی های اصلی مقاومت کلکتور R_C می باشد [۷]. در دمای ۲۵ درجه سلسیوس، مقاومت کلکتور (حاصل آمده از I_C–V_CE ویژگی های در V_CE=2 V) به صورت ۳۰۰ W اندازه گیری می شود.

وابستگی دمایی مقاومت کلکتور و بهره جریان در ترانزیستور n-p-n در شکل ۴ نشان داده شده است. برای یک ولتاژ ثابت پایه ـ جمع کننده (V_BC =0 V) β به عنوان اولین افت از ۱۲۰ الی ۳۴ به هنگام افزایش دما از ۴۰- الی ۳۰۰ درجه سلسیوس تلقی شده و متعاقباً می توان شاهد افزایش مجدد از ۴۲ تا ۵۰۰ درجه سلسیوس بود. این رفتار در تعامل با دو مکانیزم مشخص می باشد که بر روی β به هنگام افزایش دما تأثیر گذار است: کاهش تزریق امیتر به طور مؤثر منوط به میزان یونیزه شدگی فزاینده دوپانت پایه و افزایش طول عمر حامل می باشد [۹ـ ۱۱]. از این شیب ثابت β در برابر ۱۰۰۰/T، در محدوده ای از ۴۰- الی ۳۰۰ درجه سلسیوس، ما قابلیت محاسبه انرژی فعال سازی مؤثر برای β حدوداً ۴۶ meV را خواهیم داشت. شبیه سازی های ابزار فیزیکی، با استفاده از یک انرژی فعال کننده ۱۹۱ meV برای دوپانت های A1، سبب حاصل آمدن یک رویه فعالسازی مؤثر می شود که در توافق نزدیکی با این ویژگی به شمار می آید. برای دمای بالاتر، ضریب دمایی بهره مثبت و شیب نزدیک به ثابت را می توان در ارتباط با وابستگی قانون توان برای طول عمر حامل اقلیت، در مقایسه با دیگر داده و شبیه سازی های موجود، در نظر گرفت [۱۰]، [۱۱]. نتایج ما قابلیت تعمیم محدوده دمایی به دماهای سطح پایینتر و بالاتر را داشته و بنابراین نوعی  برازندگی  مطمئن  و  پایا  را عرضه  می نماید. وابستگی دمایی R_C غیریکنواخت به عنوان نتیجه دو پدیده متضاد به شمار می آید که بر روی مقاومت صفحه ای لایه جمع کننده دوپه شده سنگین [۷] به هنگام افزایش دما تأثیرگذار است: یعنی افزایش میزان یونیزاسیون دوپانت و کاهش تحرک حامل اکثریت.

ب. عملکرد مدار

گیت OR/NOR با استفاده از یک ولتاژ ورودی (V_EE) به میزان −۱۵ V از طریق بکارگیری سیگنال ورودی، با محدوده بین -۱۰ الی  ۰ Vدر یک ورودی (A یا B) و با توجه به مورد دیگر آزمایش شد. ویژگی های انتقال ولتاژ اندازه گیری شده و NMs مرتبط در -۴۰ °C، ۰ °C، ۲۷ °C، ۱۰۰ °C، ۲۰۰ °C، ۳۰۰ °C، ۴۰۰°C و ۵۰۰ °C در شکل های ۵ و ۶ برای خروجی OR و NOR به ترتیب نشان داده شده است. هر دوی سطوح ولتاژ بالای اندازه گیری شده OR و NOR، همراه با آستانه منطقی، دارای نوعی حرکت به سمت ولتاژ مثبت به هنگام افزایش دما می باشند که خود در توافق با نتایج گزارش شده قبلی است [۷]. سطوح پایین ولتاژ، در مقابل، نشان دهنده یک رفتار غیریکنواخت به هنگامی می باشند که دما از ۴۰- درجه سلسیوس به ۲۷ درجه سلسیوس افزایش می یابد. NM های OR و NOR به صورت پایدار تلقی شده و دارای تقریباً ۱ V از ۰ الی ۵۰۰ درجه سلسیوس می باشند. در مقابل در ۴۰- درجه سلسیوس، NM سطح پایین (NM_L) با تقریباً ۰٫۵ V در نظر است، در حالی که NM (NM_H) سطح بالا از تقریباً ۱/۳ V برای هر دوی خروجی های OR و NOR برخوردار می باشد.

تأخیر انتشار (T_P) و مجموع مصرف توان (P_D) در هر دما از برآوردهای سوئیچینگ یا راهگزینی انجام شده با توجه به V_EE = −۱۵ V و یک سیگنال ورودی، با سطوح منطقی سازگار با سطوح سیگنال های خروجی و با فرکانس ۱۰۰ kHz، مورد اندازه گیری قرار گرفت. همانگونه که در شکل ۷ مشاهده می شود، هر دوی T_P و P_D معرف رفتار دمایی غیریکنواخت می باشند، چرا که هر دوی آنها قویاً تحت تأثیر تغییرات در مقاومت رزیستور و β ترانزیستور پیوند دو قطبی (BJT) می باشند. در حقیقت، همانگونه که به وسیله مصرف استاتیک و دینامیک جریان در شکل ۷ نشان داده شده است، P_D عمدتاً بر مبنای جزء استاتیک آن مشخص می گردد، و چنین موردی مشخص کننده تغییرات در جریان های بایاس در این مدارها می باشد. در محدوده از -۴۰ °C الی ۵۰۰ °C P_D·T_P تقریباً برابر با ۱۰۰ nJ است که تا اندازه ای نزدیک به آنچه برای گیت های منطقی SiC مبتنی بر ـ JFET گزارش شده است خواهد بود [۱۲].

گیت OR/NOR مجتمع دو قطبی پانصد درجه سلسیوس در ۴H-SiC

۴- نتیجه گیری

کاربرد موفقیت آمیز BJTها و گیت OR/NOR دو قطبی مجتمع در ۴H-SiC تحت شرایط دمایی تا ۵۰۰ درجه سلسیوس نشان داده شده است. بر این مبنا می بایست قدردان عملکرد ابزاره ارتقا یافته بود و در این راستا کاربرد شبکه جبران دمایی NMها به صورت پایدار و در حد تقریباً ۱ V از ۰ الی ۵۰۰ درجه سلسیوس قابل توجه است که البته این میزان تا اندکی تحت شرایط دمایی پایینتر تنزل می یابد. در عین حال میزان تأخیر توان بر مبنای گیت تقریباً برابر با ۱۰۰ nJ در محدوده کلی دمایی می باشد. به علاوه، بهره افزایشی> 300 °C  به طور قابل توجهی سبب تعمیم محدوده دمایی محتمل عملیاتی گردیده است. فناوری IC گزارش شده به عنوان یک کاندید نویدبخش برای کاربردهای دمایی سطح بالا به شمار می آید، با این حال توسعه سیستم های اتصال اهمی دمای بالا و سیستم فلزکاری و همچنین دی الکتریک بین لایه ای همچنان به عنوان یک چالش مطرح شده به شمار می آیند که می باست آنها را مورد خطاب قرار داد.

گیت OR/NOR مجتمع دو قطبی پانصد درجه سلسیوس در ۴H-SiC