Полупроводник третьего поколения SiC

SiC представляет собой полупроводниковый материал с широкой запрещенной зоной третьего поколения, который имеет больше преимуществ, чем Si по физическим характеристикам, таким как ширина запрещенной зоны, напряженность поля пробоя, скорость дрейфа насыщения электронов и т. д. Подготовленные устройства SiC, такие как диоды, транзисторы и силовые модули, имеют лучшие электрические характеристики, которые могут преодолеть дефекты кремниевой основы, которые не могут удовлетворить требования применения высокой мощности, высокого напряжения, высокой частоты, высокой температуры и так далее. Это также один из прорывных путей, который может превзойти закон Мура, поэтому он широко используется в области новой энергетики (фотоэлектрическая, накопление энергии, зарядные батареи, электромобили и т. д.).

1. Что такое SiC?

Полупроводниковые материалы принято разделять на три поколения в зависимости от хронологического порядка исследований и масштабного применения.

Первое поколение: В 1940-х годах начали применяться кремний (Si) и германий (Ge). Кремний, с его большими природными запасами и простым процессом получения, является полупроводниковым материалом с наибольшим объемом производства и наиболее широко используемым в настоящее время. Он используется в интегральных схемах, охватывающих все аспекты человеческого производства и жизни, такие как промышленность, торговля, транспорт, медицина и армия. Однако существует большое узкое место в применении высокочастотных и мощных устройств, а также оптоэлектронных устройств.

Второе поколение: В 1960-е годы арсенид галлия (GaAs) и фосфид индия (InP) использовались для производства быстродействующих высокочастотных, мощных и светоизлучающих электронных устройств в области оптоэлектроники, микроэлектроники и радиочастоты, который может быть применен к спутниковой связи, мобильной связи, оптической связи, GPS-навигации и так далее. Из-за дефицитности, высокой цены, токсичности и загрязнения окружающей среды материалов GaAs и InP применение полупроводниковых материалов второго поколения имеет определенные ограничения.

Третье поколение: в 1980-х годах быстро развивались полупроводники с широкой запрещенной зоной (Eg > 2,3 эВ), представленные карбидом кремния (SiC), нитридом галлия (GaN) и алмазом (C), с такими преимуществами, как сильное электрическое поле пробоя, высокая теплопроводность, высокая скорость насыщения электронами и сильная антирадиационная способность, отвечающая сценариям высокого напряжения и высокой частоты. Используется в устройствах высокого напряжения, радиочастотных устройствах 5G и других областях.

По сравнению с материалами Si основными преимуществами SiC являются:

• Ширина запрещенной зоны SiC в 3 раза превышает ширину запрещенной зоны Si, что может уменьшить утечку и повысить терпимость к температуре.
• SiC имеет в 10 раз большую напряженность поля пробоя, чем Si, может улучшить плотность тока, рабочую частоту, емкость по напряжению и уменьшить потери при включении-выключении, что больше подходит для приложений с высоким напряжением.
• Скорость дрейфа насыщения электронов в SiC в 2 раза выше, чем у Si, поэтому он может работать на более высокой частоте.
• Карбид кремния имеет в 3 раза большую теплопроводность, чем кремний, лучшие характеристики рассеивания тепла, может поддерживать высокую плотность мощности и снижать требования к рассеиванию тепла, что делает устройство легче. Таким образом, материал SiC имеет очевидные преимущества в характеристиках материала, может удовлетворить требования современной электроники к высокой температуре, высокой мощности, высокому давлению, высокой частоте, радиационной стойкости и другим суровым условиям, подходит для радиочастотных устройств 5G и устройств высокого напряжения, полностью новая энергетическая область (фотоэлектрическая, накопительная, зарядная установка, электромобиль и т. д.) для легкого веса, высокой энергоэффективности, высокой движущей силы и других требований.

2. Почему мы используем SiC в качестве устройства? Устройства SiC включают диоды, транзисторы и силовые модули.

В 2001 году Infineon первой выпустила продукты SiC JBS. В 2008 году компания Semisouth выпустила первое устройство SiC JFET постоянно закрытого типа. В 2010 году компания ROHM начала массовое производство продуктов SiC MOSFET; В 2011 году Cree начала продавать SiC MOSFET, а в 2015 году ROHM продолжила оптимизировать выпуск МОП-транзисторов с рифленым затвором. В настоящее время диод SiC SBD и транзистор MOSFET в настоящее время являются наиболее широко используемыми, самая высокая зрелость индустриализации, SiC IGBT и GTO и другие устройства из-за большей технической сложности все еще находятся на стадии исследований и разработок, и существует большой разрыв с индустриализация.

Устройство SiC, благодаря характеристикам его материала, обеспечивающим превосходные электрические характеристики:

• Потери при включении/восстановлении ниже: широкая запрещенная зона делает ток утечки устройства SiC меньшим, и при тех же условиях напряжения сопротивление включения устройства SiC составляет около 1/200 от сопротивления устройств на основе кремния, поэтому потери при включении ниже; Si FRDS и Si MOSFET создают большие переходные токи при переключении с прямого смещения на обратное, а также большие потери при переходе на обратное смещение. Хотя SiC SBD и SiC MOSFET являются большинством несущих устройств, обратное восстановление будет происходить только за счет степени разряда переходного конденсатора небольшого тока. Более того, переходный ток практически не зависит от температуры и прямого тока, а стабильное и быстрое (менее 20 нс) обратное восстановление может быть достигнуто в любых условиях окружающей среды. По данным ROHM, модуль SiC MOSFET+SBD может снизить потери при включении (Eon) на 34%, поэтому потери на восстановление являются низкими; У устройств SiC нет следа тока во время процесса выключения, и, по данным ROHM, модуль SiC MOSFET+SBD может уменьшить потери при выключении (Eoff) на 88%, поэтому потери на переключение ниже.
• Устройство может быть миниатюризировано: ширина запрещенной зоны SiC определяет, что оно может производить высоковольтное силовое устройство выше 600 В с более высокой концентрацией легирования и дрейфовым слоем меньшей толщины пленки (для продуктов с одинаковым сопротивлением напряжению и одинаковым сопротивлением в открытом состоянии, размер чипа меньше); Скорость дрейфа насыщенных электронов SiC высока, поэтому устройство SiC может достичь более высокой рабочей частоты и более высокой плотности мощности, поскольку увеличение частоты уменьшает объем периферийных компонентов, таких как индукторы и трансформаторы, тем самым уменьшая объем и стоимость других компонентов после составления система. SiC имеет широкую запрещенную зону и значительную теплопроводность, что не только стабильно работает в условиях высоких температур, но и позволяет устройству легче рассеивать тепло, поэтому у него более низкие требования к системе отвода тепла.
• Термическая стабильность устройств SiC: напряжение открытия SiC SBD и Si FRD составляет менее 1 В, но температурная зависимость SiC SBD отличается от таковой для Si FRD: чем выше температура, тем увеличивается сопротивление проводимости, значение VF увеличивается. станут больше, и неконтролируемые перегревы не возникнут, что повысит безопасность и надежность системы. При тех же температурных условиях, IF = 10A, сравнение напряжения положительной проводимости SiC и кремниевого диода, падение напряжения проводимости SiC-диода Шоттки составляет 1,5 В, падение напряжения проводимости кремниевого диода с быстрым восстановлением составляет 1,7 В, характеристики материала SiC лучше, чем у кремниевого материала. Кроме того, сопротивление дрейфового слоя Si MOSFET станет в 2 раза больше исходного при повышении температуры на 100 ° C, но сопротивление дрейфового слоя SiC MOSFET невелико, другие резисторы, такие как сопротивление канала, немного уменьшатся при высокой температуре, и Сопротивление n+-подложки практически не зависит от температуры, поэтому сопротивление открытого состояния нелегко увеличить в условиях высоких температур.

Карбид кремния имеет свои преимущества в производительности и областях применения, такие как:

1). Высокая температура плавления и теплопроводность. Карбид кремния имеет очень высокую температуру плавления и теплопроводность, что позволяет ему хорошо работать в условиях высоких температур. Напротив, традиционные кремниевые полупроводниковые материалы имеют тенденцию терять характеристики при высоких температурах. Другие полупроводниковые материалы третьего поколения, такие как нитрид галлия (GaN) и оксид цинка (ZnO), также хорошо работают в некоторых конкретных приложениях, но стабильность и характеристики карбида кремния при высоких температурах остаются его уникальным преимуществом.

2). Широкая запрещенная зона: карбид кремния имеет большую запрещенную зону, в результате чего его структура электронных энергетических уровней имеет уникальные характеристики. Это позволяет карбиду кремния достигать более высоких скоростей дрейфа электронов в мощных высокочастотных электронных устройствах, тем самым снижая потери мощности. Напротив, нитрид галлия и оксид цинка имеют меньшую ширину запрещенной зоны и менее подходят для приложений с высокой мощностью.

3). Высокая скорость насыщения электрического поля: электроны карбида кремния все еще могут поддерживать высокую скорость в сильном электрическом поле и нелегко ограничиваются электрическим полем. Это обеспечивает карбиду кремния превосходные характеристики в высокочастотных приложениях, таких как усилители мощности RF и микроволновые устройства. Напротив, хотя нитрид галлия также имеет преимущества в высокочастотной области, карбид кремния по-прежнему обладает более высокой электронной подвижностью.

4). Высокая напряженность электрического поля пробоя: Напряженность электрического поля пробоя карбида кремния очень высока, что означает, что он может работать в сильном электрическом поле без потери производительности. Это важно для приложений высокого напряжения, силовой электроники и систем передачи энергии. Напротив, другие полупроводниковые материалы третьего поколения имеют меньшую напряженность электрического поля пробоя.

5). Радиочастотные характеристики: карбид кремния хорошо работает в радиочастотной области, имеет низкие потери и высокую пропускную способность. Это делает его широко используемым в беспроводной связи, радиолокационных системах и высокочастотном электронном оборудовании. Напротив, другие полупроводниковые материалы третьего поколения могут иметь плохие радиочастотные свойства.

ФОНТИЛ ТЕХНОЛОДЖИЗ ПТЕ. ООО. Это современное предприятие в области исследований и разработок, производства и продаж современной керамики, в основном производит пористую керамику, оксид алюминия, цирконий, нитрид кремния, карбид кремния, нитрид алюминия, микроволновую диэлектрическую керамику и другие современные керамические материалы. Наш специально приглашенный японский эксперт по технологиям имеет более чем 30-летний опыт работы в области полупроводников и эффективно предоставляет специальные решения для керамического применения с износостойкостью, коррозионной стойкостью, устойчивостью к высоким температурам, высокой теплопроводностью, изоляцией для отечественных и зарубежных клиентов.