สารกึ่งตัวนำ SiC รุ่นที่สาม

SiC เป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ช่องว่างแถบกว้างรุ่นที่สาม ซึ่งมีข้อได้เปรียบมากกว่า Si ในลักษณะทางกายภาพ เช่น ความกว้างของช่องว่างของแถบ ความแรงของสนามพังทลาย ความเร็วดริฟท์ของความอิ่มตัวของอิเล็กตรอน เป็นต้น อุปกรณ์ SiC ที่เตรียมไว้ เช่น ไดโอด ทรานซิสเตอร์ และโมดูลพลังงานมี ลักษณะทางไฟฟ้าที่ดีขึ้น ซึ่งสามารถเอาชนะข้อบกพร่องของฐานซิลิคอนที่ไม่สามารถตอบสนองความต้องการใช้งานของพลังงานสูง ไฟฟ้าแรงสูง ความถี่สูง อุณหภูมิสูงและอื่นๆ นอกจากนี้ยังเป็นหนึ่งในเส้นทางความก้าวหน้าที่สามารถก้าวข้ามกฎของมัวร์ได้ ดังนั้นจึงมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านพลังงานใหม่ (เซลล์แสงอาทิตย์ การจัดเก็บพลังงาน เสาชาร์จ ยานพาหนะไฟฟ้า ฯลฯ )

1, SiC คืออะไร?

วัสดุเซมิคอนดักเตอร์มักจะแบ่งออกเป็นสามรุ่นตามลำดับการวิจัยและการใช้งานขนาดใหญ่

รุ่นแรก: ในทศวรรษที่ 1940 เริ่มมีการใช้ซิลิคอน (Si) และเจอร์เมเนียม (Ge) ซิลิคอนเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่มีปริมาณสำรองธรรมชาติขนาดใหญ่และมีขั้นตอนการเตรียมการที่ง่ายดาย โดยมีผลผลิตมากที่สุดและใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในปัจจุบัน มันถูกใช้ในวงจรรวมที่เกี่ยวข้องกับการผลิตและชีวิตของมนุษย์ทุกด้าน เช่น อุตสาหกรรม การพาณิชย์ การขนส่ง การรักษาพยาบาล และการทหาร อย่างไรก็ตาม มีปัญหาคอขวดขนาดใหญ่ในการใช้งานอุปกรณ์ความถี่สูงและพลังงานสูง และอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์

รุ่นที่สอง: ในทศวรรษ 1960 แกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) และอินเดียมฟอสไฟด์ (InP) ถูกนำมาใช้เพื่อผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ความถี่สูง พลังงานสูง และเปล่งแสงความเร็วสูงในสาขาออปโตอิเล็กทรอนิกส์ ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ และความถี่วิทยุ ซึ่งสามารถนำไปใช้กับการสื่อสารผ่านดาวเทียม, การสื่อสารเคลื่อนที่, การสื่อสารด้วยแสง, การนำทางด้วย GPS และอื่น ๆ เนื่องจากความขาดแคลน ราคาสูง ความเป็นพิษ และมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมของวัสดุ GaAs และ InP การใช้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สองจึงมีข้อจำกัดบางประการ

รุ่นที่สาม: ในทศวรรษ 1980 เซมิคอนดักเตอร์ย่านความถี่กว้าง (เช่น > 2.3eV) ที่แสดงโดยซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC), แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) และเพชร (C) พัฒนาอย่างรวดเร็ว โดยมีข้อดี เช่น สนามไฟฟ้าที่มีการสลายตัวสูง สูง การนำความร้อน อัตราการอิ่มตัวของอิเล็กตรอนสูง และความสามารถในการป้องกันรังสีที่แข็งแกร่ง ตอบสนองสถานการณ์ไฟฟ้าแรงสูงและความถี่สูง ใช้ในอุปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูง อุปกรณ์ RF 5G และสาขาอื่นๆ

เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุ Si ข้อดีหลักของ SiC คือ:

• SiC มีความกว้างของช่องว่างของแถบความถี่เป็น 3 เท่าของ Si ซึ่งสามารถลดการรั่วไหลและเพิ่มอุณหภูมิที่ยอมรับได้
• SiC มีความแรงของสนามพังทลายของ Si ถึง 10 เท่า สามารถปรับปรุงความหนาแน่นกระแส ความถี่ในการทำงาน ความจุแรงดันไฟฟ้า และลดการสูญเสียการเปิด-ปิด เหมาะสำหรับการใช้งานไฟฟ้าแรงสูง
• SiC มีความเร็วดริฟท์ของความอิ่มตัวของอิเล็กตรอนเป็น 2 เท่าของ Si จึงสามารถทำงานที่ความถี่สูงกว่าได้
• SiC มีค่าการนำความร้อนมากกว่า Si ถึง 3 เท่า ประสิทธิภาพการกระจายความร้อนดีขึ้น สามารถรองรับความหนาแน่นของพลังงานสูง และลดความต้องการการกระจายความร้อน ทำให้อุปกรณ์มีน้ำหนักเบา ดังนั้นวัสดุ SiC จึงมีข้อดีด้านประสิทธิภาพของวัสดุที่ชัดเจน สามารถตอบสนองความต้องการของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่สำหรับอุณหภูมิสูง พลังงานสูง ความดันสูง ความถี่สูง ความต้านทานรังสี และสภาวะที่ไม่เอื้ออำนวยอื่นๆ เหมาะสำหรับอุปกรณ์ความถี่วิทยุ 5G และอุปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูงเต็มรูปแบบ สนามพลังงานใหม่ (เซลล์แสงอาทิตย์ การจัดเก็บพลังงาน กองชาร์จ ยานพาหนะไฟฟ้า ฯลฯ) สำหรับน้ำหนักเบา ประสิทธิภาพการใช้พลังงานสูง แรงผลักดันสูง และข้อกำหนดอื่น ๆ

2 ทำไมเราถึงใช้ SiC เป็นอุปกรณ์? อุปกรณ์ SiC ประกอบด้วยไดโอด ทรานซิสเตอร์ และโมดูลกำลัง

ในปี 2544 Infineon เป็นบริษัทแรกที่เปิดตัวผลิตภัณฑ์ SiC JBS ในปี พ.ศ. 2551 Semisouth ได้เปิดตัวอุปกรณ์ SiC JFET ชนิดปิดถาวรเครื่องแรก ในปี 2010 ROHM ได้ผลิตผลิตภัณฑ์ SiC MOSFET จำนวนมากเป็นครั้งแรก ในปี 2554 Cree เริ่มจำหน่าย SiC MOSFET และในปี 2558 ROHM ยังคงเพิ่มประสิทธิภาพการเปิดตัว MOSFET แบบเกทร่องอย่างต่อเนื่อง ปัจจุบัน SiC SBD ไดโอดและทรานซิสเตอร์ MOSFET มีการใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดและมีการเจริญเติบโตทางอุตสาหกรรมสูงสุด SiC IGBT และ GTO และอุปกรณ์อื่น ๆ เนื่องจากปัญหาทางเทคนิคที่มากขึ้นยังอยู่ในขั้นตอนการวิจัยและพัฒนาและมีช่องว่างขนาดใหญ่จาก การทำให้เป็นอุตสาหกรรม

อุปกรณ์ SiC เนื่องจากลักษณะของวัสดุที่ให้ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่เหนือกว่า:

• การเปิด-ปิด การสูญเสียการสวิตชิ่ง/การกู้คืนต่ำกว่า: ช่องว่างย่านความถี่กว้างทำให้กระแสไฟรั่วของอุปกรณ์ SiC น้อยลง และภายใต้สภาวะแรงดันไฟฟ้าเดียวกัน ความต้านทานออนของอุปกรณ์ SiC จะอยู่ที่ประมาณ 1/200 ของอุปกรณ์ที่ใช้ซิลิคอน ดังนั้นการสูญเสียการเปิด ต่ำกว่า; Si FRDS และ Si MOSFET จะสร้างกระแสชั่วคราวขนาดใหญ่เมื่อเปลี่ยนจากไบแอสไปข้างหน้าเป็นไบแอสย้อนกลับ และสูญเสียอย่างมากเมื่อเปลี่ยนเป็นไบแอสย้อนกลับ แม้ว่า SiC SBD และ SiC MOSFET จะเป็นอุปกรณ์พาหะส่วนใหญ่ แต่การกู้คืนแบบย้อนกลับจะไหลผ่านระดับการปล่อยประจุของตัวเก็บประจุทางแยกของกระแสไฟฟ้าขนาดเล็กเท่านั้น นอกจากนี้ กระแสชั่วคราวแทบไม่ได้รับผลกระทบจากอุณหภูมิและกระแสไปข้างหน้า และการกู้คืนแบบย้อนกลับที่เสถียรและรวดเร็ว (น้อยกว่า 20ns) สามารถทำได้ภายใต้สภาวะแวดล้อมใดๆ จากข้อมูลของ ROHM โมดูล SiC MOSFET+SBD สามารถลดการสูญเสียขณะเลี้ยว (Eon) ได้ถึง 34% ดังนั้นการสูญเสียการกู้คืนจึงต่ำ อุปกรณ์ SiC ไม่มีกระแสต่อท้ายในระหว่างกระบวนการปิดระบบ และตามข้อมูลของ ROHM โมดูล SiC MOSFET+SBD สามารถลดการสูญเสียการปิดระบบ (Eoff) ได้ถึง 88% ดังนั้นการสูญเสียการสลับจึงลดลง
• อุปกรณ์สามารถย่อขนาดได้: ความกว้างแถบความถี่ SiC กำหนดว่าสามารถผลิตอุปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูงที่สูงกว่า 600V โดยมีความเข้มข้นของสารต้องห้ามสูงกว่าและชั้นดริฟท์ความหนาของฟิล์มที่บางกว่า (สำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีความต้านทานแรงดันไฟฟ้าเท่ากันและมีความต้านทานออนเท่ากัน ขนาดชิปเล็กลง) อัตราการดริฟท์ของอิเล็กตรอนอิ่มตัวของ SiC นั้นสูง ดังนั้นอุปกรณ์ SiC จึงสามารถบรรลุความถี่ในการทำงานที่สูงขึ้นและความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น เนื่องจากความถี่ที่เพิ่มขึ้นจะช่วยลดปริมาตรของส่วนประกอบต่อพ่วง เช่น ตัวเหนี่ยวนำและหม้อแปลงไฟฟ้า ซึ่งช่วยลดปริมาณและต้นทุนส่วนประกอบอื่นๆ หลังจากประกอบ ระบบ. SiC มีช่องว่างแถบกว้างและมีค่าการนำความร้อนสูง ซึ่งไม่เพียงแต่ทำงานได้อย่างเสถียรภายใต้สภาวะที่มีอุณหภูมิสูง แต่ยังทำให้อุปกรณ์กระจายความร้อนได้ง่ายขึ้น จึงมีข้อกำหนดที่ต่ำกว่าสำหรับระบบกระจายความร้อน
• ความเสถียรทางความร้อนของอุปกรณ์ SiC: แรงดันไฟฟ้าเปิดของ SiC SBD และ Si FRD น้อยกว่า 1V แต่การพึ่งพาอุณหภูมิของ SiC SBD นั้นแตกต่างจาก Si FRD: ยิ่งอุณหภูมิสูงขึ้น ความต้านทานการนำไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้น ค่า VF จะ มีขนาดใหญ่ขึ้น และความร้อนที่ไม่สามารถควบคุมได้จะไม่เกิดขึ้น ช่วยเพิ่มความปลอดภัยและความน่าเชื่อถือของระบบ ภายใต้สภาวะอุณหภูมิเดียวกัน IF = 10A, SiC และการเปรียบเทียบแรงดันไฟฟ้าการนำไฟฟ้าเชิงบวกของซิลิคอนไดโอด, แรงดันไฟฟ้าการนำไฟฟ้าของไดโอด Schottky ของ SiC อยู่ที่ 1.5V, แรงดันการนำไฟฟ้าของไดโอดการกู้คืนอย่างรวดเร็วของซิลิคอนอยู่ที่ 1.7V, ประสิทธิภาพของวัสดุ SiC ดีกว่าวัสดุซิลิกอน นอกจากนี้ ความต้านทานของชั้นดริฟท์ของ Si MOSFET จะกลายเป็น 2 เท่าของเดิมเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น 100 ° C แต่ความต้านทานของชั้นดริฟท์ของ SiC MOSFET มีขนาดเล็ก ตัวต้านทานอื่นๆ เช่น ความต้านทานของช่องสัญญาณจะลดลงเล็กน้อยที่อุณหภูมิสูง และ ความต้านทานของซับสเตรต n+ แทบไม่ต้องขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ดังนั้นความต้านทานออนจึงไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะเพิ่มภายใต้สภาวะที่มีอุณหภูมิสูง

ซิลิคอนคาร์ไบด์มีข้อดีในด้านประสิทธิภาพและการใช้งาน เช่น:

1) จุดหลอมเหลวและการนำความร้อนสูง: ซิลิคอนคาร์ไบด์มีจุดหลอมเหลวและการนำความร้อนที่สูงมาก ซึ่งทำให้ทำงานได้ดีในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง ในทางตรงกันข้าม วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ซิลิคอนแบบดั้งเดิมมีแนวโน้มที่จะสูญเสียประสิทธิภาพที่อุณหภูมิสูง วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามอื่นๆ เช่น แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) และซิงค์ออกไซด์ (ZnO) ยังทำงานได้ดีในการใช้งานเฉพาะบางอย่าง แต่ความเสถียรและประสิทธิภาพของซิลิคอนคาร์ไบด์ที่อุณหภูมิสูงยังคงเป็นข้อได้เปรียบที่เป็นเอกลักษณ์

2). ช่องว่างแถบกว้าง: ซิลิคอนคาร์ไบด์มีช่องว่างแถบขนาดใหญ่ ส่งผลให้โครงสร้างระดับพลังงานอิเล็กทรอนิกส์มีลักษณะเฉพาะ สิ่งนี้ช่วยให้ซิลิกอนคาร์ไบด์สามารถบรรลุความเร็วดริฟท์ของความอิ่มตัวของอิเล็กตรอนที่สูงขึ้นในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสูงและความถี่สูง ซึ่งช่วยลดการสูญเสียพลังงาน ในทางตรงกันข้าม แกลเลียมไนไตรด์และซิงค์ออกไซด์มีช่องว่างของแถบเล็กกว่า และไม่เหมาะกับการใช้งานที่มีพลังงานสูง

3). ความเร็วความอิ่มตัวของสนามไฟฟ้าสูง: อิเล็กตรอนของซิลิคอนคาร์ไบด์ยังคงสามารถรักษาความเร็วสูงได้ภายใต้สนามไฟฟ้าที่สูง และไม่ถูกจำกัดโดยสนามไฟฟ้าได้ง่าย ทำให้ซิลิคอนคาร์ไบด์มีประสิทธิภาพดีเยี่ยมในการใช้งานความถี่สูง เช่น เครื่องขยายสัญญาณเสียง RF และอุปกรณ์ไมโครเวฟ ในทางตรงกันข้าม แม้ว่าแกลเลียมไนไตรด์จะมีข้อได้เปรียบในด้านความถี่สูง แต่ซิลิกอนคาร์ไบด์ยังคงมีการเคลื่อนที่ทางอิเล็กทรอนิกส์ที่สูงกว่า

4) ความแรงของสนามไฟฟ้าพังทลายสูง: ความแรงของสนามไฟฟ้าพังทลายของซิลิคอนคาร์ไบด์นั้นสูงมาก ซึ่งหมายความว่ามันสามารถทำงานภายใต้สนามไฟฟ้าสูงได้โดยไม่สูญเสียประสิทธิภาพ นี่เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการใช้งานไฟฟ้าแรงสูง อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง และระบบส่งกำลัง ในทางตรงกันข้าม วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามอื่นๆ มีความแรงของสนามไฟฟ้าสลายต่ำกว่า

5). ประสิทธิภาพความถี่วิทยุ: ซิลิคอนคาร์ไบด์ทำงานได้ดีในด้านความถี่วิทยุ โดยมีการสูญเสียต่ำและความสามารถในการรองรับพลังงานสูง ทำให้มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการสื่อสารไร้สาย ระบบเรดาร์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ความถี่สูง ในทางตรงกันข้าม วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามอื่นๆ อาจมีคุณสมบัติ RF ต่ำ

FOUNTYL TECHNOLOGIES PTE. บจก. เป็นองค์กรที่ทันสมัยในด้านการวิจัยและพัฒนาชุดเซรามิกขั้นสูง การผลิตและการขายเป็นหนึ่ง ส่วนใหญ่ผลิตเซรามิกที่มีรูพรุน อลูมินา เซอร์โคเนีย ซิลิคอนไนไตรด์ ซิลิคอนคาร์ไบด์ อลูมิเนียมไนไตรด์ เซรามิกไดอิเล็กทริกไมโครเวฟ และวัสดุเซรามิกขั้นสูงอื่น ๆ ผู้เชี่ยวชาญด้านเทคโนโลยีจากญี่ปุ่นที่ได้รับเชิญเป็นพิเศษของเรามีประสบการณ์ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์มากกว่า 30 ปี ให้บริการโซลูชั่นการใช้งานเซรามิกพิเศษได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทนต่อการสึกหรอ ทนต่อการกัดกร่อน ทนต่ออุณหภูมิสูง มีการนำความร้อนสูง เป็นฉนวนสำหรับลูกค้าในประเทศและต่างประเทศ