SiC semi-conducteur de troisième génération

Le SiC est le matériau semi-conducteur à large bande interdite de troisième génération, qui présente plus d'avantages que le Si en termes de caractéristiques physiques telles que la largeur de bande interdite, l'intensité du champ de claquage, la vitesse de dérive de saturation des électrons, etc. Les dispositifs SiC préparés tels que les diodes, les transistors et les modules de puissance ont de meilleures caractéristiques électriques, qui peuvent surmonter les défauts de la base de silicium qui ne peuvent pas répondre aux exigences d'application de puissance élevée, haute tension, haute fréquence, haute température, etc. C'est également l'une des voies révolutionnaires qui peuvent dépasser la loi de Moore, elle est donc largement utilisée dans le domaine des énergies nouvelles (photovoltaïque, stockage d'énergie, bornes de recharge, véhicules électriques, etc.).

1, Qu'est-ce que le SiC ?

Les matériaux semi-conducteurs sont généralement divisés en trois générations selon l'ordre chronologique de la recherche et de l'application à grande échelle.

La première génération : Dans les années 1940, le silicium (Si) et le germanium (Ge) ont commencé à être utilisés. Le silicium, avec ses grandes réserves naturelles et son processus de préparation simple, est le matériau semi-conducteur le plus productif et le plus largement utilisé à l'heure actuelle. Il est utilisé dans les circuits intégrés, impliquant tous les aspects de la production et de la vie humaine, tels que l'industrie, le commerce, les transports, les soins médicaux et l'armée. Cependant, il existe un important goulot d’étranglement dans l’application des dispositifs haute fréquence et haute puissance et des dispositifs optoélectroniques.

La deuxième génération : dans les années 1960, l'arséniure de gallium (GaAs) et le phosphure d'indium (InP) étaient utilisés pour produire des dispositifs électroniques à haute vitesse, haute fréquence, haute puissance et émetteurs de lumière dans le domaine de l'optoélectronique, de la microélectronique et des radiofréquences. qui peut être appliqué aux communications par satellite, aux communications mobiles, aux communications optiques, à la navigation GPS, etc. En raison de la rareté, du prix élevé, de la toxicité et de la pollution environnementale des matériaux GaAs et InP, l'application de matériaux semi-conducteurs de deuxième génération présente certaines limites.

La troisième génération : dans les années 1980, les semi-conducteurs à large bande interdite (Eg > 2,3eV) représentés par le carbure de silicium (SiC), le nitrure de gallium (GaN) et le diamant (C) se sont développés rapidement, avec des avantages tels qu'un champ électrique de claquage élevé, un conductivité thermique, taux de saturation électronique élevé et forte capacité anti-rayonnement, répondant aux scénarios haute tension et haute fréquence. Utilisé dans les appareils électriques haute tension, les appareils RF 5G et d'autres domaines.

Par rapport aux matériaux Si, les principaux avantages du SiC sont :

• Le SiC a 3 fois la largeur de bande interdite du Si, ce qui peut réduire les fuites et augmenter la température de tolérance.
• Le SiC a 10 fois l'intensité du champ de claquage du Si, peut améliorer la densité de courant, la fréquence de fonctionnement, la capacité de tension et réduire la perte marche-arrêt, plus adapté aux applications haute tension.
• Le SiC a une vitesse de dérive de saturation électronique 2 fois supérieure à celle du Si, il peut donc fonctionner à une fréquence plus élevée.
• Le SiC a une conductivité thermique 3 fois supérieure à celle du Si, de meilleures performances de dissipation thermique, peut prendre en charge une densité de puissance élevée et réduire les exigences de dissipation thermique, rendant l'appareil plus léger. Par conséquent, le matériau SiC présente des avantages évidents en termes de performances matérielles, peut répondre aux exigences de l'électronique moderne en matière de haute température, de puissance élevée, de haute pression, de haute fréquence, de résistance aux rayonnements et d'autres conditions difficiles, adapté aux appareils à radiofréquence 5G et aux appareils d'alimentation haute tension, complet nouveau domaine énergétique (photovoltaïque, stockage d'énergie, pile de recharge, véhicule électrique, etc.) pour une efficacité énergétique légère et élevée, une force motrice élevée et d'autres exigences.

2, Pourquoi utilisons-nous le SiC comme appareil ? Les dispositifs SiC comprennent des diodes, des transistors et des modules de puissance.

En 2001, Infineon a été le premier à lancer des produits SiC JBS. En 2008, Semisouth a lancé le premier dispositif SiC JFET de type fermé en permanence. En 2010, ROHM a produit pour la première fois en série des produits SiC MOSFET ; En 2011, Cree a commencé à vendre des MOSFET SiC et, en 2015, ROHM a continué à optimiser le lancement des MOSFET à grille rainurée. À l'heure actuelle, la diode SiC SBD et le transistor MOSFET sont les plus largement utilisés, la maturité d'industrialisation la plus élevée, les SiC IGBT et GTO et d'autres dispositifs en raison de plus grandes difficultés techniques, sont encore au stade de la recherche et du développement, et il y a un grand écart par rapport à industrialisation.

Dispositif SiC en raison de ses caractéristiques matérielles pour offrir des performances électriques supérieures :

• Marche-arrêt, la perte de commutation/récupération est plus faible : la large bande interdite réduit le courant de fuite du dispositif SiC, et dans les mêmes conditions de tension, la résistance à l'état passant du dispositif SiC est d'environ 1/200 de celle des dispositifs à base de silicium, donc la perte à l'état passant. est plus bas; Les Si FRDS et Si MOSFET produisent d'importants courants transitoires lorsqu'ils passent d'une polarisation directe à une polarisation inverse, et des pertes importantes lors de la transition vers une polarisation inverse. Bien que les SiC SBD et SiC MOSFET soient la plupart des dispositifs porteurs, la récupération inverse ne passera que par le degré de décharge du condensateur de jonction d'un faible courant. De plus, le courant transitoire n'est pratiquement pas affecté par la température et le courant direct, et une récupération inverse stable et rapide (moins de 20 ns) peut être obtenue dans toutes les conditions environnementales. Selon ROHM, le module SiC MOSFET+SBD peut réduire la perte au démarrage (Eon) de 34 %, la perte de récupération est donc faible ; Les dispositifs SiC n'ont pas de courant de fuite pendant le processus d'arrêt et, selon ROHM, le module SiC MOSFET+SBD peut réduire la perte d'arrêt (Eoff) de 88 %, de sorte que la perte de commutation est inférieure.
• Le dispositif peut être miniaturisé : la largeur de la bande interdite SiC détermine qu'il peut produire un dispositif d'alimentation haute tension supérieure à 600 V avec une concentration de dopage plus élevée et une couche de dérive d'épaisseur de film plus fine (pour les produits avec la même résistance à la tension et la même résistance à l'état passant, la taille de la puce est plus petite); Le taux de dérive des électrons saturés SiC est élevé, de sorte que le dispositif SiC peut atteindre une fréquence de fonctionnement plus élevée et une densité de puissance plus élevée, car l'augmentation de fréquence réduit le volume des composants périphériques tels que les inducteurs et les transformateurs, réduisant ainsi le volume et les autres coûts des composants après la composition du système. Le SiC a une large bande interdite et une conductivité thermique importante, qui non seulement fonctionne de manière stable dans des conditions de température élevée, mais facilite également la dissipation de la chaleur par l'appareil, de sorte qu'il a des exigences moindres pour le système de dissipation thermique.
• Stabilité thermique des dispositifs SiC : la tension d'ouverture du SiC SBD et du Si FRD est inférieure à 1 V, mais la dépendance en température du SiC SBD est différente de celle du Si FRD : plus la température est élevée, l'impédance de conduction augmentera, la valeur VF augmentera. deviendra plus grand et la température incontrôlée ne se produira pas, améliorant ainsi la sécurité et la fiabilité du système. Dans les mêmes conditions de température, IF = 10 A, comparaison de tension de conduction positive de la diode SiC et de la diode silicium, la chute de tension de conduction de la diode SiC Schottky est de 1,5 V, la chute de tension de conduction de la diode à récupération rapide du silicium est de 1,7 V, les performances du matériau SiC sont meilleures que celles du matériau silicium. De plus, la résistance de la couche de dérive du Si MOSFET deviendra 2 fois celle d'origine lorsque la température augmente de 100 ° C, mais la résistance de la couche de dérive du SiC MOSFET est faible, d'autres résistances telles que la résistance du canal diminueront légèrement à haute température, et la la résistance du substrat n+ ne dépend presque pas de la température, de sorte que la résistance à l'état passant n'est pas facile à augmenter dans des conditions de température élevée.

Le carbure de silicium présente des avantages en termes de performances et de domaines d'application, tels que :

1). Point de fusion et conductivité thermique élevés : le carbure de silicium a un point de fusion et une conductivité thermique très élevés, ce qui le rend performant dans les environnements à haute température. En revanche, les matériaux semi-conducteurs traditionnels en silicium ont tendance à perdre en performances à haute température. D'autres matériaux semi-conducteurs de troisième génération, tels que le nitrure de gallium (GaN) et l'oxyde de zinc (ZnO), fonctionnent également bien dans certaines applications spécifiques, mais la stabilité et les performances du carbure de silicium à haute température restent son avantage unique.

2). Large bande interdite : le carbure de silicium a une grande bande interdite, ce qui confère à sa structure de niveau d'énergie électronique des caractéristiques uniques. Cela permet au carbure de silicium d'atteindre des vitesses de dérive de saturation électronique plus élevées dans les dispositifs électroniques haute puissance et haute fréquence, réduisant ainsi les pertes de puissance. En revanche, le nitrure de gallium et l’oxyde de zinc ont des bandes interdites plus petites et sont moins adaptés aux applications à haute puissance.

3). Vitesse de saturation du champ électrique élevée : les électrons du carbure de silicium peuvent toujours maintenir une vitesse élevée sous un champ électrique élevé et ne sont pas facilement limités par le champ électrique. Cela confère au carbure de silicium d'excellentes performances dans les applications haute fréquence, telles que les amplificateurs de puissance RF et les dispositifs micro-ondes. En revanche, si le nitrure de gallium présente également des avantages dans le domaine des hautes fréquences, le carbure de silicium présente néanmoins une mobilité électronique plus élevée.

4). Intensité du champ électrique de claquage élevé : L'intensité du champ électrique de claquage du carbure de silicium est très élevée, ce qui signifie qu'il peut fonctionner sous un champ électrique élevé sans perdre en performances. Ceci est important pour les applications haute tension, l’électronique de puissance et les systèmes de transmission de puissance. En revanche, d’autres matériaux semi-conducteurs de troisième génération ont une intensité de champ électrique de claquage plus faible.

5). Performances radiofréquence : le carbure de silicium fonctionne bien dans le domaine des radiofréquences, avec une faible perte et une capacité de charge de puissance élevée. Cela le rend largement utilisé dans les communications sans fil, les systèmes radar et les équipements électroniques haute fréquence. En revanche, d’autres matériaux semi-conducteurs de troisième génération peuvent avoir de mauvaises propriétés RF.

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