第3世代半導体SiC

SiC は第 3 世代のワイドバンドギャップ半導体材料であり、バンドギャップ幅、破壊電界強度、電子飽和ドリフト速度などの物理的特性において Si よりも多くの利点を持っています。 作製されたダイオード、トランジスタ、パワーモジュールなどの SiC デバイスは、電気的特性が向上し、高電力、高電圧、高周波、高温などのアプリケーション要件を満たすことができないシリコンベースの欠陥を克服できます。 また、ムーアの法則を超えるブレークスルーパスの一つでもあるため、新エネルギー（太陽光発電、エネルギー貯蔵、充電パイル、電気自動車など）の分野で広く使用されています。

1、SiCとは何ですか?

半導体材料は通常、研究と大規模応用の時系列に応じて 3 つの世代に分類されます。

第一世代: 1940 年代にシリコン (Si) とゲルマニウム (Ge) が適用され始めました。 シリコンは、天然資源が豊富で製造プロセスが簡単なため、現在最も生産量が多く、最も広く使用されている半導体材料です。 これは、産業、商業、輸送、医療、軍事など人間の生産と生活のあらゆる側面に関わる集積回路で使用されています。 しかし、高周波、高出力デバイスや光電子デバイスの応用には大きなボトルネックがあります。

第 2 世代: 1960 年代、ガリウムヒ素 (GaAs) とリン化インジウム (InP) は、オプトエレクトロニクス、マイクロエレクトロニクス、高周波の分野で高速高周波、高出力、発光電子デバイスを製造するために使用されました。衛星通信、移動体通信、光通信、GPSナビゲーションなどに応用できます。 GaAs および InP 材料の希少性、高価格、毒性、環境汚染により、第 2 世代の半導体材料の応用には一定の制限があります。

第 3 世代：1980 年代に、炭化ケイ素（SiC）、窒化ガリウム（GaN）、ダイヤモンド（C）に代表されるワイドバンドギャップ（Eg > 2.3eV）半導体が急速に発展し、高絶縁破壊電界、高耐圧などの利点を備えた。熱伝導率、高い電子飽和率、強力な耐放射線能力を備え、高電圧および高周波シナリオに対応します。 高電圧パワーデバイス、5G RFデバイスなどの分野で使用されます。

Si 材料と比較した場合、SiC の主な利点は次のとおりです。

• SiC は Si の 3 倍のバンドギャップ幅を持っているため、漏れを低減し、許容温度を高めることができます。
• SiC は Si の 10 倍の破壊電界強度を持ち、電流密度、動作周波数、電圧容量を向上させ、オンオフ損失を低減することができるため、高電圧アプリケーションにより適しています。
• SiC は Si の 2 倍の電子飽和ドリフト速度を持っているため、より高い周波数で動作できます。
• SiC は Si の 3 倍の熱伝導率を持ち、放熱性能が優れており、高出力密度をサポートし、放熱要件を軽減してデバイスを軽量化します。 したがって、SiC 材料には明らかな材料性能上の利点があり、高温、高出力、高圧、高周波、耐放射線性、その他の過酷な条件に対する現代のエレクトロニクスの要件を満たすことができ、5G 無線周波数デバイスや高電圧パワーデバイスに適しています。新エネルギー分野（太陽光発電、エネルギー貯蔵、充電パイル、電気自動車など）の軽量化、高エネルギー効率、高駆動力などの要求に応えます。

2、デバイスとしてSiCを使用する理由は何ですか? SiC デバイスには、ダイオード、トランジスタ、パワー モジュールが含まれます。

2001 年にインフィニオンは初めて SiC JBS 製品をリリースしました。 2008 年、Semisouth は最初の永久密閉型 SiC JFET デバイスをリリースしました。 2010年、ロームは初めてSiC MOSFET製品を量産しました。 Cree は 2011 年に SiC MOSFET の販売を開始し、2015 年にはロームは溝付きゲート MOSFET の発売の最適化を続けました。 現在、SiC SBD ダイオードと MOSFET トランジスタが最も広く使用されており、工業化の成熟度が最も高いが、SiC IGBT や GTO などのデバイスは技術的困難性が高いため、まだ研究開発段階にあり、現在とは大きなギャップがあります。工業化。

SiC デバイスは、その材料特性により優れた電気的性能を発揮します。

• オンオフ、スイッチング/回復損失が低くなります。バンドギャップが広いため、SiC デバイスの漏れ電流が少なくなり、同じ電圧条件下で、SiC デバイスのオン抵抗はシリコンベースのデバイスの約 1/200 であるため、オン損失が低くなります。低いです。 Si FRDS および Si MOSFET は、順バイアスから逆バイアスに切り替わるときに大きな過渡電流を生成し、逆バイアスに切り替わるときに大きな損失を生成します。 SiC SBD および SiC MOSFET はほとんどのキャリア デバイスですが、逆回復は接合コンデンサの放電程度の小さな電流のみを流れます。 さらに、過渡電流は温度や順電流の影響をほとんど受けず、いかなる環境条件下でも安定した高速(20ns未満)の逆回復が実現できます。 ロームによると、SiC MOSFET+SBD モジュールはオンターン損失 (Eon) を 34% 削減できるため、回復損失が低くなります。 SiCデバイスにはシャットダウンプロセス中に電流が引きずることはなく、ロームによれば、SiC MOSFET+SBDモジュールはシャットダウン損失(Eoff)を88%削減できるため、スイッチング損失が低くなります。
• デバイスは小型化可能です。SiC のバンドギャップ幅によって、より高いドーピング濃度とより薄い膜厚のドリフト層を備えた 600V 以上の高電圧パワー デバイスを製造できることが決まります (同じ耐圧と同じオン抵抗の製品の場合、チップサイズは小さくなります）。 SiC の飽和電子ドリフト率は高いため、SiC デバイスはより高い動作周波数とより高い電力密度を達成できます。これは、周波数の増加によりインダクタやトランスなどの周辺部品の体積が減少し、その結果、構成後の体積やその他の部品のコストが削減されるためです。システム。 SiC はバンドギャップが広く、熱伝導率が高いため、高温条件下でも安定して動作するだけでなく、デバイスの熱を放散しやすくするため、放熱システムの要件が低くなります。
• SiC デバイスの熱安定性: SiC SBD および Si FRD の開放電圧は 1V 未満ですが、SiC SBD の温度依存性は Si FRD の温度依存性とは異なります。温度が高くなると、伝導インピーダンスが増加し、VF 値が低下します。が大きくなり、熱暴走が起こらなくなり、システムの安全性と信頼性が向上します。 同じ温度条件下、IF=10A、SiCとシリコンダイオードの正導通電圧の比較、SiCショットキーダイオード導通電圧降下は1.5V、シリコンファストリカバリダイオード導通電圧降下は1.7V、SiC材料の性能はシリコン材料よりも優れています。 また、Si MOSFETのドリフト層抵抗は温度が100℃上昇すると元の2倍になりますが、SiC MOSFETのドリフト層抵抗は小さいため、高温ではチャネル抵抗などの他の抵抗が若干減少し、 n+基板の抵抗は温度依存性がほとんどないため、高温条件下でもオン抵抗が増加しにくいです。

炭化ケイ素には、性能と応用分野で次のような利点があります。

1)。 高い融点と熱伝導率: 炭化ケイ素は融点と熱伝導率が非常に高いため、高温環境でも優れた性能を発揮します。 対照的に、従来のシリコン半導体材料は高温で性能が低下する傾向があります。 窒化ガリウム (GaN) や酸化亜鉛 (ZnO) などの他の第 3 世代半導体材料も、一部の特定の用途では優れた性能を発揮しますが、高温での炭化ケイ素の安定性と性能は依然としてその独特の利点です。

2)。 広いバンドギャップ: 炭化ケイ素はバンドギャップが大きいため、その電子エネルギー準位構造には独特の特徴があります。 これにより、炭化ケイ素は高出力、高周波電子デバイスにおいてより高い電子飽和ドリフト速度を実現し、電力損失を低減できます。 対照的に、窒化ガリウムと酸化亜鉛はバンドギャップが小さく、高出力用途にはあまり適していません。

3)。 高い電界飽和速度: 炭化ケイ素の電子は、高電界下でも高速を維持でき、電界による制限を受けにくい。 これにより、炭化ケイ素は、RF パワーアンプやマイクロ波デバイスなどの高周波用途で優れた性能を発揮します。 対照的に、窒化ガリウムも高周波分野では利点を持っていますが、炭化ケイ素は依然として高い電子移動度を持っています。

4)。 高い破壊電界強度: 炭化ケイ素の破壊電界強度は非常に高いため、性能を損なうことなく高電界下でも動作することができます。 これは、高電圧アプリケーション、パワーエレクトロニクス、および電力伝送システムにとって重要です。 対照的に、他の第 3 世代半導体材料は破壊電界強度が低くなります。

5)。 無線周波数性能: 炭化ケイ素は、低損失と高い電力伝送容量により、無線周波数の分野で優れた性能を発揮します。 このため、無線通信、レーダーシステム、高周波電子機器などに広く使用されています。 対照的に、他の第 3 世代半導体材料は RF 特性が劣る可能性があります。

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