Halbleiter SiC der dritten Generation

SiC ist das Halbleitermaterial mit breiter Bandlücke der dritten Generation, das in Bezug auf physikalische Eigenschaften wie Bandlückenbreite, Durchbruchsfeldstärke, Elektronensättigungsdriftgeschwindigkeit usw. mehr Vorteile als Si aufweist. Die vorbereiteten SiC-Bauelemente wie Dioden, Transistoren und Leistungsmodule haben bessere elektrische Eigenschaften, die die Mängel der Siliziumbasis überwinden können, die die Anwendungsanforderungen von hoher Leistung, hoher Spannung, hoher Frequenz, hoher Temperatur usw. nicht erfüllen können. Es ist auch einer der bahnbrechenden Wege, der das Mooresche Gesetz übertreffen kann, und wird daher häufig im Bereich der neuen Energien (Photovoltaik, Energiespeicherung, Ladesäulen, Elektrofahrzeuge usw.) eingesetzt.

1, Was ist SiC?

Halbleitermaterialien werden üblicherweise entsprechend der chronologischen Reihenfolge der Forschung und großtechnischen Anwendung in drei Generationen eingeteilt.

Die erste Generation: In den 1940er Jahren begann man mit der Anwendung von Silizium (Si) und Germanium (Ge). Silizium ist mit seinen großen natürlichen Vorkommen und seinem einfachen Herstellungsverfahren derzeit das Halbleitermaterial mit der größten Produktion und dem am weitesten verbreiteten. Es wird in integrierten Schaltkreisen verwendet und umfasst alle Aspekte der menschlichen Produktion und des menschlichen Lebens wie Industrie, Handel, Transport, medizinische Behandlung und Militär. Allerdings gibt es einen großen Engpass bei der Anwendung von Hochfrequenz- und Hochleistungsgeräten sowie optoelektronischen Geräten.

Die zweite Generation: In den 1960er Jahren wurden Galliumarsenid (GaAs) und Indiumphosphid (InP) zur Herstellung von Hochgeschwindigkeits-Hochfrequenz-, Hochleistungs- und Licht emittierenden elektronischen Geräten im Bereich der Optoelektronik, Mikroelektronik und Hochfrequenz verwendet. Dies kann auf Satellitenkommunikation, Mobilkommunikation, optische Kommunikation, GPS-Navigation usw. angewendet werden. Aufgrund der Knappheit, des hohen Preises, der Toxizität und der Umweltverschmutzung von GaAs- und InP-Materialien unterliegt die Anwendung von Halbleitermaterialien der zweiten Generation gewissen Einschränkungen.

Die dritte Generation: In den 1980er Jahren entwickelten sich Halbleiter mit großer Bandlücke (z. B. > 2,3 eV), repräsentiert durch Siliziumkarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN) und Diamant (C), schnell und boten Vorteile wie ein hohes elektrisches Durchbruchfeld und eine hohe Durchbruchfestigkeit Wärmeleitfähigkeit, hohe Elektronensättigungsrate und starke Antistrahlungsfähigkeit, die Hochspannungs- und Hochfrequenzszenarien erfüllen. Wird in Hochspannungsgeräten, 5G-HF-Geräten und anderen Bereichen verwendet.

Im Vergleich zu Si-Materialien sind die Hauptvorteile von SiC:

• SiC hat die dreifache Bandlückenbreite von Si, was die Leckage reduzieren und die Toleranztemperatur erhöhen kann.
• SiC hat die zehnfache Durchbruchfeldstärke von Si, kann die Stromdichte, Betriebsfrequenz und Spannungskapazität verbessern und den Ein-Aus-Verlust reduzieren, was besser für Hochspannungsanwendungen geeignet ist.
• SiC hat die doppelte Geschwindigkeit der Elektronensättigungsdrift im Vergleich zu Si und kann daher bei einer höheren Frequenz arbeiten.
• SiC hat die dreifache Wärmeleitfähigkeit von Si, eine bessere Wärmeableitungsleistung, kann eine hohe Leistungsdichte unterstützen und die Wärmeableitungsanforderungen reduzieren, wodurch das Gerät leichter wird. Daher weist SiC-Material offensichtliche Materialleistungsvorteile auf, kann die Anforderungen moderner Elektronik an hohe Temperaturen, hohe Leistung, hohen Druck, hohe Frequenz, Strahlungsbeständigkeit und andere raue Bedingungen erfüllen und ist für 5G-Hochfrequenzgeräte und Hochspannungsgeräte vollständig geeignet neuer Energiebereich (Photovoltaik, Energiespeicher, Ladesäule, Elektrofahrzeug usw.) für geringes Gewicht, hohe Energieeffizienz, hohe Antriebskraft und andere Anforderungen.

2, Warum verwenden wir SiC als Gerät? Zu den SiC-Geräten gehören Dioden, Transistoren und Leistungsmodule.

Im Jahr 2001 war Infineon das erste Unternehmen, das SiC-JBS-Produkte auf den Markt brachte. Im Jahr 2008 brachte Semisouth das erste dauerhaft geschlossene SiC-JFET-Gerät auf den Markt. Im Jahr 2010 stellte ROHM erstmals SiC-MOSFET-Produkte in Massenproduktion her; Im Jahr 2011 begann Cree mit dem Verkauf von SiC-MOSFETs, und im Jahr 2015 optimierte ROHM die Einführung der Grooved-Gate-MOSFETs weiter. Derzeit sind SiC-SBD-Diode und MOSFET-Transistor am weitesten verbreitet und haben die höchste Industrialisierungsreife. SiC-IGBT und GTO sowie andere Geräte befinden sich aufgrund größerer technischer Schwierigkeiten noch im Forschungs- und Entwicklungsstadium, und es besteht eine große Lücke Industrialisierung.

SiC-Gerät aufgrund seiner Materialeigenschaften für eine hervorragende elektrische Leistung:

• Der Ein-Aus-Schalt-/Erholungsverlust ist geringer: Durch die große Bandlücke ist der Leckstrom von SiC-Geräten geringer, und unter den gleichen Spannungsbedingungen beträgt der Einschaltwiderstand von SiC-Geräten etwa 1/200 von Geräten auf Siliziumbasis, also der Einschaltverlust ist tiefer; Si-FRDS und Si-MOSFETs erzeugen große Übergangsströme, wenn sie von Vorwärtsvorspannung auf Rückwärtsvorspannung umschalten, und große Verluste beim Übergang auf Rückwärtsvorspannung. Während SiC-SBDs und SiC-MOSFETs die meisten Trägerbauelemente sind, fließt bei der Rückwärtswiederherstellung nur ein geringer Entladungsgrad des Sperrschichtkondensators. Darüber hinaus bleibt der Übergangsstrom nahezu unbeeinflusst von der Temperatur und dem Vorwärtsstrom, und eine stabile und schnelle (weniger als 20 ns) Rückwärtswiederherstellung kann unter allen Umgebungsbedingungen erreicht werden. Laut ROHM kann das SiC-MOSFET+SBD-Modul den Einschaltverlust (Eon) um 34 % reduzieren, sodass der Wiederherstellungsverlust gering ist; SiC-Geräte weisen während des Abschaltvorgangs keinen Stromabfall auf, und laut ROHM kann das SiC-MOSFET+SBD-Modul den Abschaltverlust (Eoff) um 88 % reduzieren, sodass der Schaltverlust geringer ist.
• Das Gerät kann miniaturisiert werden: Die SiC-Bandlückenbreite bestimmt, dass es ein Hochspannungsgerät über 600 V mit einer höheren Dotierungskonzentration und einer dünneren Filmdicke der Driftschicht erzeugen kann (für Produkte mit demselben Spannungswiderstand und demselben Einschaltwiderstand). die Chipgröße ist kleiner); Die SiC-Sättigungselektronendriftrate ist hoch, sodass das SiC-Gerät eine höhere Betriebsfrequenz und eine höhere Leistungsdichte erreichen kann, da die Frequenzerhöhung das Volumen peripherer Komponenten wie Induktivitäten und Transformatoren reduziert und somit das Volumen und andere Komponentenkosten nach dem Zusammenstellen reduziert System. SiC verfügt über eine große Bandlücke und eine erhebliche Wärmeleitfähigkeit, was nicht nur unter Hochtemperaturbedingungen stabil funktioniert, sondern auch die Wärmeableitung des Geräts erleichtert, sodass geringere Anforderungen an das Wärmeableitungssystem gestellt werden.
• Thermische Stabilität von SiC-Geräten: Die Öffnungsspannung von SiC SBD und Si FRD beträgt weniger als 1 V, aber die Temperaturabhängigkeit von SiC SBD unterscheidet sich von der von Si FRD: Je höher die Temperatur, desto höher die Leitungsimpedanz und desto höher der VF-Wert werden größer und es kommt nicht zu unkontrollierten thermischen Störungen, wodurch die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Systems verbessert wird. Unter den gleichen Temperaturbedingungen, IF = 10 A, Vergleich der positiven Leitungsspannung von SiC und Siliziumdiode, beträgt der Leitungsspannungsabfall der SiC-Schottky-Diode 1,5 V, der Leitungsspannungsabfall der Silizium-Fast-Recovery-Diode beträgt 1,7 V, die Leistung des SiC-Materials ist besser als die des Siliziummaterials. Darüber hinaus verdoppelt sich der Driftschichtwiderstand des Si-MOSFET, wenn die Temperatur um 100 °C ansteigt. Der Driftschichtwiderstand des SiC-MOSFET ist jedoch gering, und andere Widerstände wie der Kanalwiderstand nehmen bei hoher Temperatur leicht ab Der Widerstand des n+-Substrats weist nahezu keine Temperaturabhängigkeit auf, sodass der Einschaltwiderstand unter Hochtemperaturbedingungen nicht leicht zu erhöhen ist.

Siliziumkarbid hat seine Vorteile in Leistungs- und Anwendungsbereichen, wie zum Beispiel:

1). Hoher Schmelzpunkt und Wärmeleitfähigkeit: Siliziumkarbid hat einen sehr hohen Schmelzpunkt und eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit, wodurch es in Umgebungen mit hohen Temperaturen eine gute Leistung erbringt. Im Gegensatz dazu neigen herkömmliche Silizium-Halbleitermaterialien dazu, bei hohen Temperaturen an Leistung zu verlieren. Andere Halbleitermaterialien der dritten Generation wie Galliumnitrid (GaN) und Zinkoxid (ZnO) erbringen in einigen spezifischen Anwendungen ebenfalls eine gute Leistung, aber die Stabilität und Leistung von Siliziumkarbid bei hohen Temperaturen bleibt sein einzigartiger Vorteil.

2). Große Bandlücke: Siliziumkarbid hat eine große Bandlücke, was dazu führt, dass seine elektronische Energieniveaustruktur einzigartige Eigenschaften aufweist. Dadurch kann Siliziumkarbid in leistungsstarken Hochfrequenz-Elektronikgeräten höhere Elektronensättigungsdriftgeschwindigkeiten erreichen und so Leistungsverluste reduzieren. Im Gegensatz dazu haben Galliumnitrid und Zinkoxid kleinere Bandlücken und sind für Hochleistungsanwendungen weniger geeignet.

3). Hohe Sättigungsgeschwindigkeit des elektrischen Feldes: Die Elektronen von Siliziumkarbid können auch in einem hohen elektrischen Feld eine hohe Geschwindigkeit beibehalten und werden nicht so leicht durch das elektrische Feld begrenzt. Dies verleiht Siliziumkarbid eine hervorragende Leistung in Hochfrequenzanwendungen wie HF-Leistungsverstärkern und Mikrowellengeräten. Während Galliumnitrid dagegen auch im Hochfrequenzbereich Vorteile bietet, weist Siliziumkarbid immer noch eine höhere elektronische Mobilität auf.

4). Hohe elektrische Durchschlagsfeldstärke: Die elektrische Durchschlagsfeldstärke von Siliziumkarbid ist sehr hoch, was bedeutet, dass es in einem hohen elektrischen Feld arbeiten kann, ohne an Leistung zu verlieren. Dies ist wichtig für Hochspannungsanwendungen, Leistungselektronik und Energieübertragungssysteme. Im Gegensatz dazu weisen andere Halbleitermaterialien der dritten Generation eine geringere elektrische Durchbruchfeldstärke auf.

5). Hochfrequenzleistung: Siliziumkarbid bietet im Hochfrequenzbereich eine gute Leistung mit geringem Verlust und hoher Leistungsbelastbarkeit. Dadurch wird es häufig in der drahtlosen Kommunikation, in Radarsystemen und in elektronischen Hochfrequenzgeräten eingesetzt. Im Gegensatz dazu können andere Halbleitermaterialien der dritten Generation schlechte HF-Eigenschaften aufweisen.

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