Semikonduktor SiC generasi ketiga

SiC merupakan bahan semikonduktor celah pita lebar generasi ketiga, yang memiliki keunggulan lebih dari Si dalam hal karakteristik fisik seperti lebar celah pita, kekuatan medan tembus, kecepatan penyimpangan saturasi elektron, dll. Perangkat SiC yang disiapkan seperti dioda, transistor, dan modul daya memiliki karakteristik kelistrikan yang lebih baik, yang dapat mengatasi cacat dasar silikon yang tidak dapat memenuhi persyaratan aplikasi daya tinggi, tegangan tinggi, frekuensi tinggi, suhu tinggi dan sebagainya. Ini juga merupakan salah satu jalur terobosan yang dapat melampaui Hukum Moore, sehingga banyak digunakan di bidang energi baru (fotovoltaik, penyimpanan energi, tiang pengisi daya, kendaraan listrik, dll).

1, Apa itu SiC?

Bahan semikonduktor biasanya dibagi menjadi tiga generasi menurut urutan kronologis penelitian dan penerapan skala besar.

Generasi pertama : Pada tahun 1940an, silikon (Si) dan germanium (Ge) mulai diaplikasikan. Silikon, dengan cadangan alamnya yang besar dan proses pembuatannya yang sederhana, merupakan bahan semikonduktor dengan keluaran terbesar dan paling banyak digunakan saat ini. Ini digunakan dalam sirkuit terpadu, yang melibatkan semua aspek produksi dan kehidupan manusia seperti industri, perdagangan, transportasi, perawatan medis, dan militer. Namun, ada hambatan besar dalam penerapan perangkat frekuensi tinggi dan daya tinggi serta perangkat optoelektronik.

Generasi kedua: Pada tahun 1960-an, galium arsenida (GaAs) dan indium fosfida (InP) digunakan untuk memproduksi perangkat elektronik berkecepatan tinggi, berfrekuensi tinggi, berdaya tinggi, dan memancarkan cahaya di bidang optoelektronik, mikroelektronika, dan frekuensi radio, yang dapat diterapkan pada komunikasi satelit, komunikasi seluler, komunikasi optik, navigasi GPS dan sebagainya. Karena kelangkaan, harga tinggi, toksisitas dan pencemaran lingkungan dari bahan GaAs dan InP, penerapan bahan semikonduktor generasi kedua memiliki keterbatasan tertentu.

Generasi ketiga: Pada tahun 1980-an, semikonduktor dengan celah pita lebar (Eg > 2.3eV) yang diwakili oleh silikon karbida (SiC), galium nitrida (GaN), dan berlian (C) berkembang pesat, dengan keunggulan seperti medan listrik tembus tinggi, tinggi konduktivitas termal, tingkat saturasi elektron yang tinggi, dan kemampuan anti-radiasi yang kuat, memenuhi skenario tegangan tinggi dan frekuensi tinggi. Digunakan pada perangkat daya tegangan tinggi, perangkat RF 5G, dan bidang lainnya.

Dibandingkan dengan material Si, keunggulan utama SiC adalah:

• SiC memiliki lebar celah pita 3 kali lipat dari Si, yang dapat mengurangi kebocoran dan meningkatkan toleransi suhu.
• SiC memiliki kekuatan medan tembus 10 kali lipat dari Si, dapat meningkatkan kerapatan arus, frekuensi operasi, kapasitas tegangan dan mengurangi kerugian on-off, lebih cocok untuk aplikasi tegangan tinggi.
• SiC memiliki kecepatan penyimpangan saturasi elektron 2 kali lipat dari Si, sehingga dapat bekerja pada frekuensi yang lebih tinggi.
• SiC memiliki konduktivitas termal 3 kali lipat dari Si, kinerja pembuangan panas yang lebih baik, dapat mendukung kepadatan daya yang tinggi dan mengurangi kebutuhan pembuangan panas, membuat perangkat lebih ringan. Oleh karena itu, bahan SiC memiliki keunggulan kinerja material yang jelas, dapat memenuhi persyaratan elektronik modern untuk suhu tinggi, daya tinggi, tekanan tinggi, frekuensi tinggi, ketahanan radiasi, dan kondisi keras lainnya, cocok untuk perangkat frekuensi radio 5G dan perangkat daya tegangan tinggi, penuh bidang energi baru (fotovoltaik, penyimpanan energi, tiang pengisi daya, kendaraan listrik, dll.) untuk ringan, efisiensi energi tinggi, tenaga penggerak tinggi, dan persyaratan lainnya.

2, Mengapa kita menggunakan SiC sebagai perangkat? Perangkat SiC termasuk dioda, transistor, dan modul daya.

Pada tahun 2001 Infineon menjadi yang pertama merilis produk SiC JBS. Pada tahun 2008, Semisouth merilis perangkat SiC JFET tipe tertutup permanen pertama. Pada tahun 2010, ROHM pertama kali memproduksi produk SiC MOSFET secara massal; Pada tahun 2011, Cree mulai menjual MOSFET SiC, dan pada tahun 2015 ROHM terus mengoptimalkan peluncuran MOSFET gerbang beralur. Saat ini, dioda SiC SBD dan transistor MOSFET adalah yang paling banyak digunakan, kematangan industrialisasi tertinggi, SiC IGBT dan GTO serta perangkat lainnya karena kesulitan teknis yang lebih besar, masih dalam tahap penelitian dan pengembangan, dan terdapat kesenjangan yang besar dari industrialisasi.

Perangkat SiC karena karakteristik materialnya untuk menghasilkan kinerja listrik yang unggul:

• On-off, switching/recovery loss lebih rendah: celah pita lebar membuat arus bocor perangkat SiC lebih sedikit, dan dalam kondisi voltase yang sama, resistansi perangkat SiC sekitar 1/200 perangkat berbasis silikon, sehingga on-loss lebih rendah; Si FRDS dan Si MOSFET menghasilkan arus transien yang besar ketika beralih dari bias maju ke bias mundur, dan kerugian besar ketika beralih ke bias mundur. Meskipun SiC SBD dan SiC MOSFET adalah sebagian besar perangkat pembawa, pemulihan balik hanya akan mengalir melalui tingkat pelepasan arus kecil kapasitor persimpangan. Selain itu, arus transien hampir tidak terpengaruh oleh suhu dan arus maju, dan pemulihan balik yang stabil dan cepat (kurang dari 20ns) dapat dicapai dalam kondisi lingkungan apa pun. Menurut ROHM, modul SiC MOSFET+SBD dapat mengurangi on-turn loss (Eon) sebesar 34%, sehingga recovery loss rendah; Perangkat SiC tidak memiliki trailing arus selama proses shutdown, dan menurut ROHM, modul SiC MOSFET+SBD dapat mengurangi shutdown loss (Eoff) sebesar 88%, sehingga switching loss lebih rendah.
• Perangkat dapat diperkecil: lebar celah pita SiC menentukan bahwa perangkat tersebut dapat menghasilkan perangkat daya tegangan tinggi di atas 600V dengan konsentrasi doping yang lebih tinggi dan lapisan penyimpangan ketebalan film yang lebih tipis (untuk produk dengan resistansi tegangan yang sama dan resistansi yang sama, ukuran chip lebih kecil); Laju penyimpangan elektron jenuh SiC tinggi, sehingga perangkat SiC dapat mencapai frekuensi operasi yang lebih tinggi dan kepadatan daya yang lebih tinggi, karena peningkatan frekuensi mengurangi volume komponen periferal seperti induktor dan transformator, sehingga mengurangi volume dan biaya komponen lainnya setelah pembuatan. sistem. SiC memiliki celah pita yang lebar dan konduktivitas termal yang signifikan, yang tidak hanya bekerja secara stabil dalam kondisi suhu tinggi, tetapi juga memudahkan perangkat untuk menghilangkan panas, sehingga memiliki persyaratan yang lebih rendah untuk sistem pembuangan panas.
• Stabilitas termal perangkat SiC: tegangan pembukaan SiC SBD dan Si FRD kurang dari 1V, tetapi ketergantungan suhu SiC SBD berbeda dengan Si FRD: semakin tinggi suhu, impedansi konduksi akan meningkat, nilai VF akan meningkat menjadi lebih besar, dan termal yang tidak terkendali tidak akan terjadi, sehingga meningkatkan keamanan dan keandalan sistem. Di bawah kondisi suhu yang sama, IF = 10A, perbandingan tegangan konduksi positif SiC dan dioda silikon, penurunan tegangan konduksi dioda Schottky SiC adalah 1,5V, penurunan tegangan konduksi dioda pemulihan cepat silikon adalah 1,7V, kinerja bahan SiC lebih baik daripada bahan silikon. Selain itu, resistansi lapisan drift Si MOSFET akan menjadi 2 kali lipat dari aslinya ketika suhu naik 100 ° C, tetapi resistansi lapisan drift SiC MOSFET kecil, resistor lain seperti resistansi saluran akan sedikit berkurang pada suhu tinggi, dan resistansi substrat n+ hampir tidak memiliki ketergantungan pada suhu, sehingga resistansi tidak mudah meningkat pada kondisi suhu tinggi.

Silikon karbida memiliki keunggulan dalam bidang kinerja dan aplikasi, seperti:

1). Titik leleh dan konduktivitas termal yang tinggi: Silikon karbida memiliki titik leleh dan konduktivitas termal yang sangat tinggi, sehingga membuatnya bekerja dengan baik di lingkungan bersuhu tinggi. Sebaliknya, bahan semikonduktor silikon tradisional cenderung kehilangan kinerjanya pada suhu tinggi. Bahan semikonduktor generasi ketiga lainnya, seperti galium nitrida (GaN) dan seng oksida (ZnO), juga bekerja dengan baik dalam beberapa aplikasi spesifik, namun stabilitas dan kinerja silikon karbida pada suhu tinggi tetap menjadi keunggulan uniknya.

2). Celah pita lebar: silikon karbida memiliki celah pita yang besar, sehingga struktur tingkat energi elektroniknya memiliki karakteristik yang unik. Hal ini memungkinkan silikon karbida mencapai kecepatan penyimpangan saturasi elektron yang lebih tinggi pada perangkat elektronik berdaya tinggi dan berfrekuensi tinggi, sehingga mengurangi kehilangan daya. Sebaliknya, galium nitrida dan seng oksida memiliki celah pita yang lebih kecil dan kurang cocok untuk aplikasi daya tinggi.

3). Kecepatan saturasi medan listrik yang tinggi: elektron silikon karbida masih dapat mempertahankan kecepatan tinggi di bawah medan listrik yang tinggi, dan tidak mudah dibatasi oleh medan listrik. Hal ini memberikan kinerja luar biasa pada silikon karbida dalam aplikasi frekuensi tinggi, seperti amplifier daya RF dan perangkat gelombang mikro. Sebaliknya, meskipun galium nitrida juga memiliki keunggulan dalam bidang frekuensi tinggi, silikon karbida masih memiliki mobilitas elektronik yang lebih tinggi.

4). Kekuatan medan listrik kerusakan tinggi: Kekuatan medan listrik kerusakan silikon karbida sangat tinggi, yang berarti dapat bekerja di bawah medan listrik tinggi tanpa kehilangan kinerja. Hal ini penting untuk aplikasi tegangan tinggi, elektronika daya, dan sistem transmisi daya. Sebaliknya, bahan semikonduktor generasi ketiga lainnya memiliki kuat rusaknya medan listrik yang lebih rendah.

5). Kinerja frekuensi radio: Silikon karbida berkinerja baik di bidang frekuensi radio, dengan kehilangan rendah dan daya dukung daya tinggi. Hal ini membuatnya banyak digunakan dalam komunikasi nirkabel, sistem radar dan peralatan elektronik frekuensi tinggi. Sebaliknya, bahan semikonduktor generasi ketiga lainnya mungkin memiliki sifat RF yang buruk.

TEKNOLOGI FOUNTYL PTE. LTD. adalah perusahaan modern di bidang keramik canggih yang menetapkan R&D, manufaktur dan penjualan sebagai satu kesatuan, terutama memproduksi keramik berpori, alumina, zirkonia, silikon nitrida, silikon karbida, aluminium nitrida, keramik dielektrik gelombang mikro, dan bahan keramik canggih lainnya. pakar teknologi Jepang kami yang diundang secara khusus memiliki lebih dari 30 tahun pengalaman industri di bidang semikonduktor, secara efisien memberikan solusi aplikasi keramik khusus dengan ketahanan aus, ketahanan korosi, ketahanan suhu tinggi, konduktivitas termal tinggi, isolasi untuk pelanggan domestik dan asing.