Halfgeleider SiC van de derde generatie

SiC is het derde generatie halfgeleidermateriaal met brede bandafstand, dat meer voordelen heeft dan Si wat betreft fysieke kenmerken zoals bandbreedte, doorslagveldsterkte, driftsnelheid van de elektronenverzadiging, enz. De geprepareerde SiC-apparaten zoals diodes, transistors en vermogensmodules hebben betere elektrische eigenschappen, die de defecten van de siliciumbasis kunnen overwinnen die niet kunnen voldoen aan de toepassingsvereisten van hoog vermogen, hoge spanning, hoge frequentie, hoge temperatuur enzovoort. Het is ook een van de doorbraakpaden die de wet van Moore kunnen overtreffen en wordt daarom veel gebruikt op het gebied van nieuwe energie (fotovoltaïsche energie, energieopslag, oplaadpalen, elektrische voertuigen, enz.).

1, wat is SiC?

Halfgeleidermaterialen worden gewoonlijk in drie generaties verdeeld, afhankelijk van de chronologische volgorde van onderzoek en grootschalige toepassing.

De eerste generatie: In de jaren veertig begon men silicium (Si) en germanium (Ge) toe te passen. Silicium is, met zijn grote natuurlijke reserves en eenvoudige bereidingsproces, het halfgeleidermateriaal met de grootste productie en het meest gebruikte halfgeleidermateriaal op dit moment. Het wordt gebruikt in geïntegreerde schakelingen, waarbij alle aspecten van de menselijke productie en het leven betrokken zijn, zoals de industrie, de handel, het transport, de medische behandeling en het leger. Er is echter een groot knelpunt bij de toepassing van hoogfrequente en hoogvermogenapparaten en opto-elektronische apparaten.

De tweede generatie: In de jaren zestig werden galliumarsenide (GaAs) en indiumfosfide (InP) gebruikt voor de productie van snelle, hoogfrequente, krachtige en lichtgevende elektronische apparaten op het gebied van opto-elektronica, micro-elektronica en radiofrequentie. die kan worden toegepast op satellietcommunicatie, mobiele communicatie, optische communicatie, GPS-navigatie enzovoort. Vanwege de schaarste, hoge prijs, toxiciteit en milieuvervuiling van GaAs- en InP-materialen kent de toepassing van halfgeleidermaterialen van de tweede generatie bepaalde beperkingen.

De derde generatie: In de jaren tachtig ontwikkelden halfgeleiders met een brede bandafstand (bijv. > 2,3 eV), vertegenwoordigd door siliciumcarbide (SiC), galliumnitride (GaN) en diamant (C), zich snel, met voordelen zoals een elektrisch veld met hoge doorslag, hoge thermische geleidbaarheid, hoge elektronenverzadigingssnelheid en sterk antistralingsvermogen, dat voldoet aan scenario's met hoge spanning en hoge frequentie. Gebruikt in hoogspanningsapparaten, 5G RF-apparaten en andere velden.

Vergeleken met Si-materialen zijn de belangrijkste voordelen van SiC:

• SiC heeft een driemaal grotere bandbreedte dan Si, wat de lekkage kan verminderen en de tolerantietemperatuur kan verhogen.
• SiC heeft 10 keer de doorslagveldsterkte van Si, kan de stroomdichtheid, werkfrequentie, spanningscapaciteit verbeteren en het aan-uitverlies verminderen, meer geschikt voor hoogspanningstoepassingen.
• SiC heeft een tweemaal zo hoge elektronenverzadigingsdriftsnelheid als Si, waardoor het op een hogere frequentie kan werken.
• SiC heeft 3 keer de thermische geleidbaarheid van Si, betere warmteafvoerprestaties, kan een hoge vermogensdichtheid ondersteunen en de warmteafvoervereisten verminderen, waardoor het apparaat lichter wordt. Daarom heeft SiC-materiaal duidelijke materiële prestatievoordelen, kan het voldoen aan de eisen van moderne elektronica voor hoge temperaturen, hoog vermogen, hoge druk, hoge frequentie, stralingsweerstand en andere zware omstandigheden, geschikt voor 5G-radiofrequentieapparaten en hoogspanningsapparaten, volledig nieuw energieveld (fotovoltaïsche energie, energieopslag, laadpaal, elektrisch voertuig, enz.) voor lichtgewicht, hoge energie-efficiëntie, hoge aandrijfkracht en andere vereisten.

2, Waarom gebruiken we SiC als apparaat? SiC-apparaten omvatten diodes, transistors en voedingsmodules.

Infineon was in 2001 de eerste die SiC JBS-producten op de markt bracht. In 2008 bracht Semisouth het eerste permanent gesloten SiC JFET-apparaat uit. In 2010 produceerde ROHM de eerste in massa geproduceerde SiC MOSFET-producten; In 2011 begon Cree met de verkoop van SiC MOSFET's, en in 2015 bleef ROHM de lancering van de MOSFET's met gegroefde poort optimaliseren. Momenteel zijn SiC SBD-diode en MOSFET-transistor momenteel het meest gebruikt, de hoogste industrialisatierijpheid, SiC IGBT en GTO en andere apparaten bevinden zich vanwege grotere technische problemen nog steeds in de onderzoeks- en ontwikkelingsfase, en er is een grote kloof met industrialisatie.

SiC-apparaat vanwege zijn materiaaleigenschappen voor superieure elektrische prestaties:

• Aan-uit is het schakel-/herstelverlies lager: de grote bandafstand zorgt ervoor dat de lekstroom van het SiC-apparaat minder is, en onder dezelfde spanningsomstandigheden is de aan-weerstand van het SiC-apparaat ongeveer 1/200 van die op silicium gebaseerde apparaten, dus het aan-verlies is lager; Si FRDS en Si MOSFET's produceren grote transiënte stromen wanneer ze overschakelen van voorwaartse bias naar omgekeerde bias, en grote verliezen bij de overgang naar omgekeerde bias. Hoewel SiC SBD- en SiC-MOSFET's de meeste draaggolfapparaten zijn, zal het omgekeerde herstel alleen door de ontladingsgraad van de junctiecondensator met een kleine stroom stromen. Bovendien wordt de transiënte stroom vrijwel niet beïnvloed door temperatuur en voorwaartse stroom, en kan stabiel en snel (minder dan 20 ns) omgekeerd herstel worden bereikt onder alle omgevingsomstandigheden. Volgens ROHM kan de SiC MOSFET+SBD-module het on-turn-verlies (Eon) met 34% verminderen, waardoor het herstelverlies laag is; SiC-apparaten hebben geen stroomverlies tijdens het uitschakelproces, en volgens ROHM kan de SiC MOSFET+SBD-module het uitschakelverlies (Eoff) met 88% verminderen, waardoor het schakelverlies lager is.
• Het apparaat kan worden geminiaturiseerd: de SiC-bandgapbreedte bepaalt dat het een hoogspanningsapparaat boven 600 V kan produceren met een hogere doteringsconcentratie en een dunnere filmdikte-driftlaag (voor producten met dezelfde spanningsweerstand en dezelfde aan-weerstand, de chipgrootte is kleiner); De SiC-verzadigde elektronendriftsnelheid is hoog, zodat het SiC-apparaat een hogere werkfrequentie en een hogere vermogensdichtheid kan bereiken, omdat de frequentieverhoging het volume van perifere componenten zoals inductoren en transformatoren vermindert, waardoor de volume- en andere componentkosten na het samenstellen van de systeem. SiC heeft een brede bandafstand en een aanzienlijke thermische geleidbaarheid, wat niet alleen stabiel werkt onder hoge temperaturen, maar het ook gemakkelijker maakt voor het apparaat om warmte af te voeren, waardoor er lagere eisen worden gesteld aan het warmteafvoersysteem.
• Thermische stabiliteit van SiC-apparaten: de openingsspanning van SiC SBD en Si FRD is minder dan 1V, maar de temperatuurafhankelijkheid van SiC SBD is anders dan die van Si FRD: hoe hoger de temperatuur, de geleidingsimpedantie zal toenemen, de VF-waarde zal groter worden, en de thermische ongecontroleerde zal niet optreden, waardoor de veiligheid en betrouwbaarheid van het systeem worden verbeterd. Onder dezelfde temperatuuromstandigheden, IF = 10A, vergelijking van SiC en siliciumdiode positieve geleidingsspanning, SiC Schottky-diode geleidingsspanningsval is 1,5 V, silicium snel herstel diode geleidingsspanningsval is 1,7 V, SiC-materiaalprestaties zijn beter dan siliciummateriaal. Bovendien zal de driftlaagweerstand van Si MOSFET twee keer zo hoog worden als het origineel wanneer de temperatuur 100 ° C stijgt, maar de driftlaagweerstand van SiC MOSFET is klein, andere weerstanden zoals kanaalweerstand zullen licht afnemen bij hoge temperaturen, en de De weerstand van n+ substraat is vrijwel niet afhankelijk van de temperatuur, dus de aan-weerstand is niet gemakkelijk te verhogen onder omstandigheden met hoge temperaturen.

Siliciumcarbide heeft zijn voordelen op het gebied van prestaties en toepassingsgebieden, zoals:

1). Hoog smeltpunt en thermische geleidbaarheid: Siliciumcarbide heeft een zeer hoog smeltpunt en thermische geleidbaarheid, waardoor het goed presteert in omgevingen met hoge temperaturen. Traditionele silicium halfgeleidermaterialen daarentegen hebben de neiging hun prestaties te verliezen bij hoge temperaturen. Andere halfgeleidermaterialen van de derde generatie, zoals galliumnitride (GaN) en zinkoxide (ZnO), presteren ook goed in sommige specifieke toepassingen, maar de stabiliteit en prestaties van siliciumcarbide bij hoge temperaturen blijven het unieke voordeel ervan.

2). Brede bandafstand: siliciumcarbide heeft een grote bandafstand, waardoor de elektronische energieniveaustructuur unieke kenmerken heeft. Hierdoor kan siliciumcarbide hogere driftsnelheden van de elektronenverzadiging bereiken in elektronische apparaten met hoog vermogen en hoge frequentie, waardoor vermogensverliezen worden verminderd. Galliumnitride en zinkoxide hebben daarentegen kleinere bandafstanden en zijn minder geschikt voor toepassingen met hoog vermogen.

3). Hoge verzadigingssnelheid van het elektrische veld: de elektronen van siliciumcarbide kunnen nog steeds een hoge snelheid handhaven onder een hoog elektrisch veld en worden niet gemakkelijk beperkt door het elektrische veld. Dit geeft siliciumcarbide uitstekende prestaties in hoogfrequente toepassingen, zoals RF-vermogensversterkers en microgolfapparaten. Terwijl galliumnitride daarentegen ook voordelen heeft op het gebied van hoge frequenties, heeft siliciumcarbide nog steeds een hogere elektronische mobiliteit.

4). Hoge elektrische veldsterkte: De elektrische veldsterkte van siliciumcarbide is zeer hoog, wat betekent dat het onder een hoog elektrisch veld kan werken zonder prestatieverlies. Dit is belangrijk voor hoogspanningstoepassingen, vermogenselektronica en krachtoverbrengingssystemen. Andere halfgeleidermaterialen van de derde generatie hebben daarentegen een lagere elektrische veldsterkte.

5). Radiofrequentieprestaties: Siliciumcarbide presteert goed op het gebied van radiofrequentie, met laag verlies en hoog vermogen. Hierdoor wordt het veel gebruikt in draadloze communicatie, radarsystemen en hoogfrequente elektronische apparatuur. Andere halfgeleidermaterialen van de derde generatie kunnen daarentegen slechte RF-eigenschappen hebben.

FOUNTYL TECHNOLOGIES PTE. LTD. is een moderne onderneming op het gebied van geavanceerde keramiek, R&D, productie en verkoop als één, produceert voornamelijk poreuze keramiek, aluminiumoxide, zirkoniumoxide, siliciumnitride, siliciumcarbide, aluminiumnitride, diëlektrische microgolfkeramiek en andere geavanceerde keramische materialen. onze speciaal uitgenodigde Japanse technologie-expert heeft meer dan 30 jaar industriële ervaring op het gebied van halfgeleiders en biedt op efficiënte wijze speciale keramische toepassingsoplossingen met slijtvastheid, corrosieweerstand, hoge temperatuurbestendigheid, hoge thermische geleidbaarheid en isolatie voor binnenlandse en buitenlandse klanten.