Półprzewodnik SiC trzeciej generacji

SiC to materiał półprzewodnikowy o szerokiej przerwie energetycznej trzeciej generacji, który ma więcej zalet niż Si pod względem właściwości fizycznych, takich jak szerokość pasma wzbronionego, natężenie pola przebicia, prędkość dryfu nasycenia elektronów itp. Przygotowane urządzenia SiC, takie jak diody, tranzystory i moduły mocy, mają lepsze właściwości elektryczne, które mogą przezwyciężyć wady podstawy krzemowej, które nie spełniają wymagań aplikacji związanych z dużą mocą, wysokim napięciem, wysoką częstotliwością, wysoką temperaturą i tak dalej. Jest to także jedna z przełomowych ścieżek, która może przekroczyć prawo Moore'a, dlatego znajduje szerokie zastosowanie w dziedzinie nowej energii (fotowoltaika, magazyny energii, pale ładujące, pojazdy elektryczne itp.).

1, Co to jest SiC?

Materiały półprzewodnikowe dzieli się zwykle na trzy generacje, zgodnie z chronologicznym porządkiem badań i zastosowaniem na dużą skalę.

Pierwsza generacja: W latach czterdziestych XX wieku zaczęto stosować krzem (Si) i german (Ge). Krzem, ze swoimi dużymi zasobami naturalnymi i prostym procesem przygotowania, jest materiałem półprzewodnikowym o największej wydajności i obecnie najczęściej stosowanym. Jest stosowany w układach scalonych, obejmujących wszystkie aspekty produkcji i życia człowieka, takie jak przemysł, handel, transport, leczenie i wojsko. Jednakże istnieje duże wąskie gardło w stosowaniu urządzeń o wysokiej częstotliwości i dużej mocy oraz urządzeń optoelektronicznych.

Druga generacja: W latach sześćdziesiątych XX wieku arsenek galu (GaAs) i fosforek indu (InP) były wykorzystywane do produkcji szybkich urządzeń elektronicznych o wysokiej częstotliwości, dużej mocy i emitujących światło w dziedzinie optoelektroniki, mikroelektroniki i częstotliwości radiowych, które można zastosować w komunikacji satelitarnej, komunikacji mobilnej, komunikacji optycznej, nawigacji GPS i tak dalej. Ze względu na rzadkość, wysoką cenę, toksyczność i zanieczyszczenie środowiska materiałów GaAs i InP, zastosowanie materiałów półprzewodnikowych drugiej generacji ma pewne ograniczenia.

Trzecia generacja: w latach 80. XX wieku szybko rozwinęły się półprzewodniki o szerokiej przerwie energetycznej (np. > 2,3 eV), reprezentowane przez węglik krzemu (SiC), azotek galu (GaN) i diament (C), których zalety to pole elektryczne o wysokim współczynniku przebicia, wysoka przewodność cieplna, wysoki stopień nasycenia elektronami i silna zdolność przeciwpromieniowania, spełniając scenariusze wysokiego napięcia i wysokiej częstotliwości. Stosowany w urządzeniach wysokiego napięcia, urządzeniach RF 5G i innych dziedzinach.

W porównaniu z materiałami Si, głównymi zaletami SiC są:

• SiC ma 3 razy większą szerokość pasma wzbronionego niż Si, co może zmniejszyć wycieki i zwiększyć tolerancję temperatury.
• SiC ma 10-krotnie większą siłę pola przebicia niż Si, może poprawić gęstość prądu, częstotliwość roboczą, pojemność napięciową i zmniejszyć straty włączenia/wyłączenia, co jest bardziej odpowiednie do zastosowań wysokonapięciowych.
• SiC ma 2 razy większą prędkość dryfu nasycenia elektronów niż Si, więc może pracować z wyższą częstotliwością.
• SiC ma 3 razy większą przewodność cieplną niż Si, lepszą wydajność rozpraszania ciepła, może obsługiwać wysoką gęstość mocy i zmniejszać wymagania dotyczące rozpraszania ciepła, dzięki czemu urządzenie jest lżejsze. Dlatego materiał SiC ma oczywiste zalety w zakresie wydajności materiału, może spełniać wymagania nowoczesnej elektroniki w zakresie wysokiej temperatury, dużej mocy, wysokiego ciśnienia, wysokiej częstotliwości, odporności na promieniowanie i innych trudnych warunków, nadaje się do urządzeń o częstotliwości radiowej 5G i urządzeń o wysokim napięciu, w pełni nowa dziedzina energii (fotowoltaika, magazynowanie energii, stos ładujący, pojazd elektryczny itp.) dla lekkości, wysokiej efektywności energetycznej, dużej siły napędowej i innych wymagań.

2, Dlaczego używamy SiC jako urządzenia? Urządzenia SiC obejmują diody, tranzystory i moduły mocy.

W 2001 roku Infineon jako pierwszy wypuścił na rynek produkty SiC JBS. W 2008 roku firma Semisouth wypuściła na rynek pierwsze trwale zamknięte urządzenie SiC JFET. W 2010 roku ROHM wyprodukował pierwsze masowo produkty SiC MOSFET; W 2011 roku firma Cree rozpoczęła sprzedaż tranzystorów MOSFET SiC, a w 2015 roku firma ROHM kontynuowała optymalizację wprowadzenia na rynek tranzystorów MOSFET z rowkowaną bramką. Obecnie dioda SiC SBD i tranzystor MOSFET są obecnie najpowszechniej stosowanymi, najwyższa dojrzałość industrializacji, SiC IGBT i GTO oraz inne urządzenia ze względu na większe trudności techniczne są nadal w fazie badań i rozwoju i istnieje duża luka od uprzemysłowienie.

Urządzenie SiC ze względu na swoje właściwości materiałowe zapewniające doskonałe parametry elektryczne:

• Włączenie/wyłączenie, straty przy przełączaniu/odzyskiwaniu są niższe: szeroka przerwa wzbroniona sprawia, że ​​prąd upływu urządzenia SiC jest mniejszy, a przy tych samych warunkach napięcia rezystancja włączenia urządzenia SiC wynosi około 1/200 urządzeń na bazie krzemu, więc strata włączenia jest niższy; Si FRDS i Si MOSFET wytwarzają duże prądy przejściowe, gdy przełączają się z polaryzacji do przodu na polaryzację do tyłu, oraz duże straty przy przejściu do polaryzacji do tyłu. Chociaż większość urządzeń nośnych stanowią SiC SBD i SiC MOSFET, odzyskiwanie zwrotne będzie przebiegać tylko przez stopień rozładowania kondensatora złączowego przy małym prądzie. Co więcej, na prąd przejściowy prawie nie ma wpływu temperatura i prąd przewodzenia, a stabilne i szybkie (mniej niż 20 ns) odzyskiwanie zwrotne można osiągnąć w każdych warunkach środowiskowych. Według ROHM moduł SiC MOSFET+SBD może zmniejszyć straty w trakcie skrętu (Eon) o 34%, więc straty przy odzyskiwaniu są niskie; Urządzenia SiC nie mają prądu końcowego podczas procesu wyłączania, a według firmy ROHM moduł SiC MOSFET+SBD może zmniejszyć straty przy wyłączeniu (Eoff) o 88%, dzięki czemu straty przełączania są niższe.
• Urządzenie można zminiaturyzować: szerokość pasma wzbronionego SiC określa, że ​​może ono wytworzyć urządzenie o wysokim napięciu powyżej 600 V przy wyższym stężeniu domieszki i cieńszej warstwie dryfu (dla produktów o tej samej rezystancji napięciowej i tej samej rezystancji włączenia, rozmiar chipa jest mniejszy); Szybkość dryfu elektronów nasyconych SiC jest wysoka, więc urządzenie SiC może osiągnąć wyższą częstotliwość roboczą i większą gęstość mocy, ponieważ wzrost częstotliwości zmniejsza objętość elementów peryferyjnych, takich jak cewki indukcyjne i transformatory, zmniejszając w ten sposób objętość i inne koszty komponentów po skomponowaniu system. SiC charakteryzuje się szeroką przerwą wzbronioną i znaczną przewodnością cieplną, co nie tylko działa stabilnie w warunkach wysokiej temperatury, ale także ułatwia urządzeniu odprowadzanie ciepła, dzięki czemu ma mniejsze wymagania wobec układu odprowadzania ciepła.
• Stabilność termiczna urządzeń SiC: napięcie otwarcia SiC SBD i Si FRD jest mniejsze niż 1 V, ale zależność SiC SBD od temperatury jest inna niż w przypadku Si FRD: im wyższa temperatura, tym wzrośnie impedancja przewodzenia, a wartość VF wzrośnie stają się większe, a niekontrolowane przegrzanie nie wystąpi, co poprawia bezpieczeństwo i niezawodność systemu. W tych samych warunkach temperaturowych, IF=10A, porównanie napięcia przewodzenia dodatniego SiC i diody krzemowej, spadek napięcia przewodzenia diody SiC Schottky'ego wynosi 1,5 V, spadek napięcia przewodzenia diody szybkiego odzyskiwania krzemu wynosi 1,7 V, wydajność materiału SiC jest lepsza niż materiału krzemowego. Ponadto rezystancja warstwy dryfu Si MOSFET stanie się 2 razy większa niż oryginalna, gdy temperatura wzrośnie o 100 ° C, ale rezystancja warstwy dryfu SiC MOSFET jest niewielka, inne rezystory, takie jak rezystancja kanału, nieznacznie zmniejszą się w wysokiej temperaturze, a rezystancja podłoża n+ prawie nie zależy od temperatury, więc rezystancja włączenia nie jest łatwa do zwiększenia w warunkach wysokiej temperatury.

Węglik krzemu ma swoje zalety w zakresie wydajności i zastosowań, takich jak:

1). Wysoka temperatura topnienia i przewodność cieplna: Węglik krzemu ma bardzo wysoką temperaturę topnienia i przewodność cieplną, co sprawia, że ​​dobrze sprawdza się w środowiskach o wysokiej temperaturze. Natomiast tradycyjne krzemowe materiały półprzewodnikowe mają tendencję do utraty wydajności w wysokich temperaturach. Inne materiały półprzewodnikowe trzeciej generacji, takie jak azotek galu (GaN) i tlenek cynku (ZnO), również dobrze sprawdzają się w niektórych specyficznych zastosowaniach, ale stabilność i działanie węglika krzemu w wysokich temperaturach pozostaje jego wyjątkową zaletą.

2). Szerokie pasmo wzbronione: węglik krzemu ma duże pasmo wzbronione, co powoduje, że jego elektroniczna struktura poziomu energii ma unikalne właściwości. Dzięki temu węglik krzemu może osiągnąć wyższe prędkości dryfu nasycenia elektronami w urządzeniach elektronicznych o dużej mocy i wysokiej częstotliwości, zmniejszając w ten sposób straty mocy. Natomiast azotek galu i tlenek cynku mają mniejsze przerwy wzbronione i są mniej odpowiednie do zastosowań o dużej mocy.

3). Wysoka prędkość nasycenia pola elektrycznego: elektrony węglika krzemu mogą nadal utrzymywać dużą prędkość w wysokim polu elektrycznym i nie są łatwo ograniczane przez pole elektryczne. Zapewnia to doskonałą wydajność węglika krzemu w zastosowaniach o wysokiej częstotliwości, takich jak wzmacniacze mocy RF i urządzenia mikrofalowe. W przeciwieństwie do tego, chociaż azotek galu ma również zalety w polu wysokich częstotliwości, węglik krzemu nadal charakteryzuje się większą mobilnością elektronową.

4). Wysokie natężenie pola elektrycznego przebicia: Natężenie pola elektrycznego przebicia węglika krzemu jest bardzo wysokie, co oznacza, że ​​może on pracować w wysokim polu elektrycznym bez utraty wydajności. Jest to ważne w zastosowaniach wysokiego napięcia, elektronice mocy i systemach przenoszenia mocy. Natomiast inne materiały półprzewodnikowe trzeciej generacji mają mniejsze natężenie pola elektrycznego przebicia.

5). Wydajność częstotliwości radiowej: Węglik krzemu dobrze sprawdza się w zakresie częstotliwości radiowych, przy niskich stratach i dużej nośności. Dzięki temu jest szeroko stosowany w komunikacji bezprzewodowej, systemach radarowych i sprzęcie elektronicznym wysokiej częstotliwości. Natomiast inne materiały półprzewodnikowe trzeciej generacji mogą mieć słabe właściwości RF.

TECHNOLOGIE FOUNTYL PTE. SP. Z O.O. jest nowoczesnym przedsiębiorstwem w dziedzinie zaawansowanej ceramiki, zajmującej się badaniami i rozwojem, produkcją i sprzedażą jako jednym, produkującym głównie porowatą ceramikę, tlenek glinu, tlenek cyrkonu, azotek krzemu, węglik krzemu, azotek glinu, mikrofalową ceramikę dielektryczną i inne zaawansowane materiały ceramiczne. nasz specjalnie zaproszony japoński ekspert ds. technologii ma ponad 30-letnie doświadczenie w branży półprzewodników, skutecznie dostarcza specjalne rozwiązania ceramiczne charakteryzujące się odpornością na zużycie, odpornością na korozję, odpornością na wysoką temperaturę, wysoką przewodnością cieplną oraz izolacją dla klientów krajowych i zagranicznych.