Üçüncü nesil yarı iletken SiC

SiC, bant aralığı genişliği, arıza alan kuvveti, elektron doygunluğu sürüklenme hızı gibi fiziksel özelliklerde Si'ye göre daha fazla avantaja sahip olan üçüncü nesil geniş bant aralıklı yarı iletken malzemedir. Hazırlanan diyotlar, transistörler ve güç modülleri gibi SiC cihazları, Yüksek güç, yüksek voltaj, yüksek frekans, yüksek sıcaklık vb. uygulama gereksinimlerini karşılayamayan silikon bazlı kusurların üstesinden gelebilen daha iyi elektriksel özellikler. Aynı zamanda Moore Yasasını aşabilecek çığır açıcı yollardan biri olduğundan yeni enerji alanında (fotovoltaik, enerji depolama, şarj kazıkları, elektrikli araçlar vb.) yaygın olarak kullanılmaktadır.

1, SiC nedir?

Yarı iletken malzemeler genellikle araştırmaların ve geniş ölçekli uygulamaların kronolojik sırasına göre üç nesle ayrılır.

Birinci nesil: 1940'lı yıllarda silikon (Si) ve germanyum (Ge) uygulanmaya başlandı. Silikon, geniş doğal rezervleri ve basit hazırlama süreci ile günümüzde en büyük çıktıya sahip ve en yaygın olarak kullanılan yarı iletken malzemedir. Sanayi, ticaret, ulaşım, tıbbi tedavi ve askeriye gibi insan üretiminin ve yaşamının tüm yönlerini kapsayan entegre devrelerde kullanılmaktadır. Ancak yüksek frekanslı ve yüksek güçlü cihazlar ile optoelektronik cihazların uygulanmasında büyük bir darboğaz bulunmaktadır.

İkinci nesil: 1960'lı yıllarda galyum arsenit (GaAs) ve indiyum fosfit (InP), optoelektronik, mikroelektronik ve radyo frekansı alanında yüksek hızlı, yüksek frekanslı, yüksek güçlü ve ışık yayan elektronik cihazlar üretmek için kullanıldı. uydu iletişimine, mobil iletişime, optik iletişime, GPS navigasyonuna vb. uygulanabilmektedir. GaAs ve InP malzemelerinin kıtlığı, yüksek fiyatı, toksisitesi ve çevre kirliliği nedeniyle ikinci nesil yarı iletken malzemelerin uygulanmasında bazı sınırlamalar bulunmaktadır.

Üçüncü nesil: 1980'lerde silisyum karbür (SiC), galyum nitrür (GaN) ve elmas (C) ile temsil edilen geniş bant aralıklı (Eg > 2.3eV) yarı iletkenler, yüksek arızalı elektrik alanı, yüksek kırılma gibi avantajlarla hızla gelişti. yüksek voltaj ve yüksek frekans senaryolarını karşılayan termal iletkenlik, yüksek elektron doygunluk oranı ve güçlü anti-radyasyon yeteneği. Yüksek voltajlı güç cihazlarında, 5G RF cihazlarında ve diğer alanlarda kullanılır.

Si malzemeleriyle karşılaştırıldığında SiC'nin başlıca avantajları şunlardır:

• SiC, Si'nin 3 katı bant aralığı genişliğine sahiptir, bu da sızıntıyı azaltabilir ve tolerans sıcaklığını artırabilir.
• SiC, Si'den 10 kat daha fazla arıza alanı gücüne sahiptir, akım yoğunluğunu, çalışma frekansını, voltaj kapasitesini iyileştirebilir ve açma-kapama kaybını azaltabilir, yüksek voltaj uygulamaları için daha uygundur.
• SiC, Si'nin elektron doygunluğu sürüklenme hızının 2 katı olduğundan daha yüksek frekansta çalışabilir.
• SiC, Si'den 3 kat daha fazla termal iletkenliğe sahiptir, daha iyi ısı dağıtma performansına sahiptir, yüksek güç yoğunluğunu destekleyebilir ve ısı dağıtma gereksinimlerini azaltarak cihazı daha hafif hale getirebilir. Bu nedenle, SiC malzemesi bariz malzeme performans avantajlarına sahiptir; yüksek sıcaklık, yüksek güç, yüksek basınç, yüksek frekans, radyasyon direnci ve diğer zorlu koşullar için modern elektroniklerin gereksinimlerini karşılayabilir, 5G radyo frekanslı cihazlar ve yüksek voltajlı güç cihazları için uygundur. hafiflik, yüksek enerji verimliliği, yüksek itici güç ve diğer gereksinimler için yeni enerji alanı (fotovoltaik, enerji depolama, şarj yığını, elektrikli araç vb.).

2, SiC'yi neden cihaz olarak kullanıyoruz? SiC cihazları diyotları, transistörleri ve güç modüllerini içerir.

2001 yılında Infineon, SiC JBS ürünlerini piyasaya süren ilk şirket oldu. 2008 yılında Semisouth ilk kalıcı olarak kapalı tip SiC JFET cihazını piyasaya sürdü. 2010 yılında ROHM ilk seri üretilen SiC MOSFET ürünlerini; 2011 yılında Cree, SiC MOSFET'leri satmaya başladı ve 2015'te ROHM, yivli kapılı MOSFET'lerin piyasaya sürülmesini optimize etmeye devam etti. Şu anda, SiC SBD diyot ve MOSFET transistörü şu anda en yaygın kullanılan, en yüksek sanayileşme olgunluğuna sahiptir, SiC IGBT ve GTO ve daha büyük teknik zorluk nedeniyle diğer cihazlar hala araştırma ve geliştirme aşamasındadır ve büyük bir boşluk vardır. sanayileşme.

Üstün elektriksel performans sergileyen malzeme özellikleri nedeniyle SiC cihazı:

• Açma-kapama, anahtarlama/geri kazanım kaybı daha düşüktür: geniş bant aralığı SiC cihazının kaçak akımını daha az yapar ve aynı voltaj koşullarında SiC cihazının açma direnci silikon bazlı cihazların yaklaşık 1/200'ü kadardır, dolayısıyla açma kaybı daha düşüktür; Si FRDS ve Si MOSFET'ler, ileri öngerilimden ters öngerilim durumuna geçtiklerinde büyük geçici akımlar ve ters öngerilimden geçiş sırasında büyük kayıplar üretirler. SiC SBD ve SiC MOSFET'ler taşıyıcı cihazların çoğunu oluştururken, ters geri kazanım yalnızca küçük akım bağlantı kapasitörünün deşarj derecesi yoluyla akacaktır. Ayrıca geçici akım, sıcaklıktan ve ileri akımdan neredeyse hiç etkilenmez ve her türlü çevre koşulunda kararlı ve hızlı (20 ns'den az) ters toparlanma elde edilebilir. ROHM'ye göre SiC MOSFET+SBD modülü dönüş kaybını (Eon) %34 oranında azaltabilir, dolayısıyla geri kazanım kaybı düşüktür; SiC cihazlarında kapatma işlemi sırasında akım takibi yoktur ve ROHM'ye göre SiC MOSFET+SBD modülü kapatma kaybını (Eoff) %88 oranında azaltabilir, dolayısıyla anahtarlama kaybı daha düşük olur.
• Cihaz minyatürleştirilebilir: SiC bant aralığı genişliği, daha yüksek doping konsantrasyonuna ve daha ince film kalınlığına sahip sürüklenme katmanına sahip 600V'nin üzerinde yüksek voltajlı bir güç cihazı üretebileceğini belirler (aynı voltaj direncine ve aynı dirence sahip ürünler için, çip boyutu daha küçüktür); SiC doymuş elektron sürüklenme oranı yüksektir, bu nedenle SiC cihazı daha yüksek çalışma frekansı ve daha yüksek güç yoğunluğu elde edebilir, çünkü frekans artışı indüktörler ve transformatörler gibi çevresel bileşenlerin hacmini azaltır, böylece hacim ve diğer bileşen maliyetlerini oluşturduktan sonra azaltır. sistem. SiC, geniş bir bant aralığına ve önemli bir termal iletkenliğe sahiptir; bu, yalnızca yüksek sıcaklık koşullarında kararlı bir şekilde çalışmakla kalmaz, aynı zamanda cihazın ısıyı dağıtmasını da kolaylaştırır, dolayısıyla ısı dağıtım sistemi için daha düşük gereksinimlere sahiptir.
• SiC cihazlarının termal kararlılığı: SiC SBD ve Si FRD'nin açılma voltajı 1V'den azdır, ancak SiC SBD'nin sıcaklığa bağımlılığı Si FRD'ninkinden farklıdır: sıcaklık ne kadar yüksek olursa iletim empedansı artacak, VF değeri artacaktır daha büyük hale gelir ve termal kontrolsüzlük meydana gelmez, bu da sistemin güvenliğini ve güvenilirliğini artırır. Aynı sıcaklık koşulu altında, IF=10A,SiC ve silikon diyot pozitif iletim voltajı karşılaştırması,SiC Schottky diyot iletim voltajı düşüşü 1,5V, silikon hızlı iyileşme diyotu iletim voltajı düşüşü 1,7V,SiC malzeme performansı silikon malzemeden daha iyidir. Ayrıca sıcaklık 100°C yükseldiğinde Si MOSFET'in sürüklenme katmanı direnci orijinalinin 2 katı olacak, ancak SiC MOSFET'in sürüklenme katmanı direnci küçük olduğundan kanal direnci gibi diğer dirençler yüksek sıcaklıkta biraz azalacak ve n+ substratın direncinin neredeyse hiçbir sıcaklığa bağımlılığı yoktur, bu nedenle yüksek sıcaklık koşullarında direncin arttırılması kolay değildir.

Silisyum karbürün performans ve uygulama alanlarında aşağıdaki gibi avantajları vardır:

1). Yüksek erime noktası ve termal iletkenlik: Silisyum karbür çok yüksek bir erime noktasına ve termal iletkenliğe sahiptir, bu da onun yüksek sıcaklıktaki ortamlarda iyi performans göstermesini sağlar. Buna karşılık, geleneksel silikon yarı iletken malzemeler yüksek sıcaklıklarda performansını kaybetme eğilimindedir. Galyum nitrür (GaN) ve çinko oksit (ZnO) gibi diğer üçüncü nesil yarı iletken malzemeler de bazı özel uygulamalarda iyi performans gösterir, ancak silisyum karbürün yüksek sıcaklıklardaki kararlılığı ve performansı, onun benzersiz avantajı olmaya devam etmektedir.

2). Geniş bant aralığı: silisyum karbür geniş bir bant aralığına sahiptir, bu da elektronik enerji seviyesi yapısının benzersiz özelliklere sahip olmasını sağlar. Bu, silisyum karbürün yüksek güçlü, yüksek frekanslı elektronik cihazlarda daha yüksek elektron doygunluğu sürüklenme hızlarına ulaşmasını sağlar ve böylece güç kayıplarını azaltır. Buna karşılık galyum nitrür ve çinko oksit daha küçük bant aralıklarına sahiptir ve yüksek güçlü uygulamalar için daha az uygundur.

3). Yüksek elektrik alanı doyma hızı: Silisyum karbürün elektronları, yüksek elektrik alanı altında hala yüksek hızı koruyabilir ve elektrik alanı tarafından kolayca sınırlanmaz. Bu, RF güç amplifikatörleri ve mikrodalga cihazları gibi yüksek frekanslı uygulamalarda silikon karbürün mükemmel performansını sağlar. Buna karşılık, galyum nitrürün yüksek frekans alanında da avantajları olsa da silisyum karbür hala daha yüksek elektronik hareketliliğe sahiptir.

4). Yüksek arıza elektrik alanı kuvveti: Silisyum karbürün arıza elektrik alanı mukavemeti çok yüksektir, bu da onun yüksek elektrik alanı altında performans kaybı olmadan çalışabileceği anlamına gelir. Bu, yüksek gerilim uygulamaları, güç elektroniği ve güç iletim sistemleri için önemlidir. Buna karşılık, diğer üçüncü nesil yarı iletken malzemeler daha düşük arıza elektrik alanı gücüne sahiptir.

5). Radyo frekansı performansı: Silisyum karbür, düşük kayıp ve yüksek güç taşıma kapasitesiyle radyo frekansı alanında iyi performans gösterir. Bu, kablosuz iletişim, radar sistemi ve yüksek frekanslı elektronik ekipmanlarda yaygın olarak kullanılmasını sağlar. Bunun tersine, diğer üçüncü nesil yarı iletken malzemeler zayıf RF özelliklerine sahip olabilir.

FOUNTYL TEKNOLOJİLERİ PTE. LTD. ileri seramik seti Ar-Ge, üretim ve satış alanında modern bir kuruluştur ve esas olarak gözenekli seramikler, alümina, zirkonya, silisyum nitrür, silisyum karbür, alüminyum nitrür, mikrodalga dielektrik seramikler ve diğer gelişmiş seramik malzemeleri üretir. Özel olarak davet edilen Japon teknoloji uzmanımız, yarı iletken alanında 30 yılı aşkın endüstri deneyimine sahip olup, yerli ve yabancı müşterilere aşınma direnci, korozyon direnci, yüksek sıcaklık dayanımı, yüksek ısı iletkenliği, izolasyon ile özel seramik uygulama çözümlerini verimli bir şekilde sunmaktadır.