En av de stora fördelarna med kiselkarbid är dess tålighet mot höga temperaturer. Under årets kiselkarbidkonferens, ISiCPEAW, i Kista berättade professor Carl-Mikael Zetterling om ett nytt, SSF-finansierat projekt vid KTH, med avsikt att skapa temperaturtåliga integrerade kretsar.

Kiselkarbidgruppen vid KTH bedriver experimentell forskning vid Elektrumlaboratoriet i Kista. Tillsammans med Uppsala universitet har man inlett ett stort projekt med syfte att skapa integrerade kretsar som kan tåla hög temperatur och är strålningshärdiga. Tack vare att kiselkarbid används som material är tanken att kunna realisera effekt- och sensorkretsar som tål 600°C. Dessa skall kunna användas vid borrning efter olja och gas, i motorstyrsystem, i bilar, flyg- och rymdtillämpningar samt i kärnkraftverk. Möjligheten att integrera gör att man i vissa fall kan bygga samman sensor och kretsar för signalbehandling som exempelvis förstärkning och A/D-omvandling eller omvandling till optiska signaler. Detta är i många fall fördelaktigt i tuffa miljöer där man vill undvika långa ledningar mellan sensor och tillhörande elektronik.

– Vi kommer att möjliggöra helt nya applikationer, säger Carl-Mikael Zetterling, projektledare för HotSiC och professor inom Fasta tillståndets elektronik.

Femårigt projekt
Carl-Mikael Zetterling kommer att med de andra KTH-professorerna Mikael Östling och Anders Hallén, samt Hans Norström som är forskare vid Ångströmlaboratoriet vid Uppsala universitet, driva projektet HOTSIC. Det finansieras under fem års tid med 24,2 miljoner i forskningsanslag från Stiftelsen för Strategisk Forskning, SSF. Fem doktorander kommer att vara knutna till projektet.

ECL-logik
Arkitekturen i kretsarna är i grunden analog: Digitala funktioner utförs i ECL-logik, dvs med differentiell, strömstyrd logik där transistorerna inte ”bottnar”. Det gör logiken mycket snabb. I logiken används enbart npn-transistorer.
Man tänker ta fram testuppsättningar som skall kunna utvärderas inom fyra områden:
* Enstaka komponenter, som npn-transistorer, laterala PNP-transistorer, kondensatorer, resistorer mm. Syftet är att åstadkomma utökade SPICE-modeller för att kunna konstruera för sex olika temperaturer mellan 25°C och 600°C. I npn-transistorerna har man hittills mätt upp 40 gångers strömförstärkning vid 20°C, vilken sjunker till 20 vid 300°C.
* Teststrukturer: Kontaktresistansteststrukturer, Darlington samt Sziklai (en kombination av npn-och pnp-transistor med egenskaper liknande Darlington).
* Digitala testkretsar: 2-ingångs ECL OR NOR-grindar, ringoscillator, D-latch etc.
* Analoga kretsar: Operationsförstärkare (med och utan pnp), inverterande operationsförstärkare med integrerade motkopplingsmotstånd för 10 eller 100 gångers förstärkning, komparatorer mm.
Vid uppbyggnaden av ECL-kretsarna utgår man från Motorolas ECL-logik, med dess strömspeglar och lösningar för nivåändring och temperaturstabilisering mm. Den matas med -5,2 V. I HOTSIC-projektet konstruerar man i stället för 15 V matningsspänning.
Hittills har man tagit fram två demonstratorer: en OR/NOR-grind och en enkel operationsförstärkare, båda utförda utan pnp-transistorer:

Kretsschemat för OR/NOR-grind i ECL-logik.

OR/NOR-grind, implementerad i SiC.

Filed under: Teknikartiklar