SiC bán dẫn thế hệ thứ ba

SiC là vật liệu bán dẫn vùng cấm rộng thế hệ thứ ba, có nhiều ưu điểm hơn Si về các đặc tính vật lý như độ rộng vùng cấm, cường độ trường đánh thủng, tốc độ trôi bão hòa điện tử, v.v. Các thiết bị SiC được chế tạo sẵn như điốt, bóng bán dẫn và mô-đun nguồn có Đặc tính điện tốt hơn, có thể khắc phục những khuyết điểm của đế silicon không thể đáp ứng các yêu cầu ứng dụng về công suất cao, điện áp cao, tần số cao, nhiệt độ cao, v.v. Nó cũng là một trong những con đường đột phá có thể vượt qua Định luật Moore nên được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực năng lượng mới (quang điện, lưu trữ năng lượng, cọc sạc, xe điện,…).

1, SiC là gì?

Vật liệu bán dẫn thường được chia thành ba thế hệ theo thứ tự thời gian nghiên cứu và ứng dụng quy mô lớn.

Thế hệ thứ nhất: Vào những năm 1940, silicon (Si) và germanium (Ge) bắt đầu được ứng dụng. Silicon với trữ lượng tự nhiên lớn và quy trình điều chế đơn giản, là vật liệu bán dẫn có sản lượng lớn nhất và được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Nó được sử dụng trong các mạch tích hợp, liên quan đến tất cả các khía cạnh của sản xuất và đời sống con người như công nghiệp, thương mại, giao thông vận tải, điều trị y tế và quân sự. Tuy nhiên, có một nút thắt lớn trong việc ứng dụng các thiết bị tần số cao, công suất cao và thiết bị quang điện tử.

Thế hệ thứ hai: Vào những năm 1960, gallium arsenide (GaAs) và indium phosphide (InP) được sử dụng để sản xuất các thiết bị điện tử tốc độ cao, công suất cao và phát sáng trong lĩnh vực quang điện tử, vi điện tử và tần số vô tuyến, có thể được áp dụng cho thông tin vệ tinh, thông tin di động, thông tin quang học, điều hướng GPS, v.v. Do sự khan hiếm, giá thành cao, độc tính và ô nhiễm môi trường của vật liệu GaAs và InP nên việc ứng dụng vật liệu bán dẫn thế hệ thứ hai còn những hạn chế nhất định.

Thế hệ thứ ba: Vào những năm 1980, các chất bán dẫn có dải rộng (Eg > 2,3eV) được biểu thị bằng cacbua silic (SiC), gali nitrit (GaN) và kim cương (C) phát triển nhanh chóng, với các ưu điểm như điện trường phân hủy cao, hiệu suất cao độ dẫn nhiệt, tốc độ bão hòa điện tử cao và khả năng chống bức xạ mạnh, đáp ứng các kịch bản điện áp cao và tần số cao. Được sử dụng trong các thiết bị điện cao áp, thiết bị RF 5G và các lĩnh vực khác.

So với vật liệu Si, ưu điểm chính của SiC là:

• SiC có độ rộng khoảng cách dải gấp 3 lần Si, có thể giảm rò rỉ và tăng nhiệt độ chịu đựng.
• SiC có cường độ trường đánh thủng gấp 10 lần Si, có thể cải thiện mật độ dòng điện, tần số hoạt động, công suất điện áp và giảm tổn thất khi tắt, phù hợp hơn cho các ứng dụng điện áp cao.
• SiC có tốc độ trôi bão hòa electron gấp 2 lần Si nên có thể hoạt động ở tần số cao hơn.
• SiC có độ dẫn nhiệt gấp 3 lần Si, hiệu suất tản nhiệt tốt hơn, có thể hỗ trợ mật độ năng lượng cao và giảm yêu cầu tản nhiệt, giúp thiết bị nhẹ hơn. Do đó, vật liệu SiC có ưu điểm rõ ràng về hiệu suất vật liệu, có thể đáp ứng các yêu cầu của thiết bị điện tử hiện đại về nhiệt độ cao, công suất cao, áp suất cao, tần số cao, khả năng chống bức xạ và các điều kiện khắc nghiệt khác, phù hợp với các thiết bị tần số vô tuyến 5G và thiết bị điện cao áp, đầy đủ trường năng lượng mới (quang điện, lưu trữ năng lượng, cọc sạc, xe điện, v.v.) cho trọng lượng nhẹ, hiệu suất năng lượng cao, động lực cao và các yêu cầu khác.

2, Tại sao chúng ta sử dụng SiC làm thiết bị? Các thiết bị SiC bao gồm điốt, bóng bán dẫn và mô-đun nguồn.

Năm 2001, Infineon là công ty đầu tiên tung ra sản phẩm SiC JBS. Năm 2008, Semisouth phát hành thiết bị SiC JFET loại đóng vĩnh viễn đầu tiên. Năm 2010, ROHM lần đầu tiên sản xuất hàng loạt sản phẩm SiC MOSFET; Vào năm 2011, Cree bắt đầu bán MOSFET SiC và vào năm 2015 ROHM tiếp tục tối ưu hóa việc ra mắt MOSFET cổng có rãnh. Hiện tại, diode SiC SBD và bóng bán dẫn MOSFET hiện đang được sử dụng rộng rãi nhất, độ trưởng thành công nghiệp hóa cao nhất, SiC IGBT và GTO và các thiết bị khác do khó khăn kỹ thuật lớn hơn nên vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển, và có một khoảng cách lớn so với công nghiệp hóa.

Thiết bị SiC vì đặc tính vật liệu của nó mang lại hiệu suất điện vượt trội:

• Khi tắt, tổn thất chuyển mạch/phục hồi thấp hơn: khoảng cách dải rộng làm cho dòng rò của thiết bị SiC ít hơn và trong cùng điều kiện điện áp, điện trở bật của thiết bị SiC là khoảng 1/200 so với các thiết bị dựa trên silicon, do đó, tổn thất khi bật thấp hơn; Si FRDS và Si MOSFET tạo ra dòng điện chuyển tiếp lớn khi chúng chuyển từ phân cực thuận sang phân cực ngược và tổn thất lớn khi chuyển sang phân cực ngược. Trong khi SiC SBD và SiC MOSFET là hầu hết các thiết bị mang, sự phục hồi ngược sẽ chỉ chảy qua mức phóng điện của tụ điện ở mức độ nhỏ. Hơn nữa, dòng điện nhất thời hầu như không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và dòng điện chuyển tiếp, đồng thời có thể đạt được khả năng phục hồi ngược ổn định và nhanh chóng (dưới 20ns) trong mọi điều kiện môi trường. Theo ROHM, mô-đun SiC MOSFET+SBD có thể giảm 34% tổn thất khi bật (Eon), do đó tổn thất phục hồi thấp; Các thiết bị SiC không có dòng điện kéo dài trong quá trình tắt máy và theo ROHM, mô-đun SiC MOSFET+SBD có thể giảm 88% tổn thất tắt máy (Eoff), do đó tổn thất chuyển mạch thấp hơn.
• Thiết bị có thể được thu nhỏ: độ rộng vùng cấm SiC xác định rằng nó có thể tạo ra một thiết bị điện áp cao trên 600V với nồng độ pha tạp cao hơn và lớp trôi có độ dày màng mỏng hơn (đối với các sản phẩm có cùng điện trở và cùng điện trở, kích thước chip nhỏ hơn); Tốc độ trôi electron bão hòa SiC cao nên thiết bị SiC có thể đạt được tần số hoạt động cao hơn và mật độ năng lượng cao hơn, do việc tăng tần số làm giảm thể tích của các thành phần ngoại vi như cuộn cảm và máy biến áp, do đó giảm khối lượng và chi phí thành phần khác sau khi soạn hệ thống. SiC có dải tần rộng và độ dẫn nhiệt đáng kể, không chỉ hoạt động ổn định trong điều kiện nhiệt độ cao mà còn giúp thiết bị tản nhiệt dễ dàng hơn nên có yêu cầu thấp hơn đối với hệ thống tản nhiệt.
• Độ ổn định nhiệt của thiết bị SiC: điện áp mở của SiC SBD và Si FRD nhỏ hơn 1V, nhưng sự phụ thuộc nhiệt độ của SiC SBD khác với Si FRD: nhiệt độ càng cao thì trở kháng dẫn sẽ tăng, giá trị VF sẽ trở nên lớn hơn và hiện tượng mất kiểm soát nhiệt sẽ không xảy ra, nâng cao tính an toàn và độ tin cậy của hệ thống. Trong cùng điều kiện nhiệt độ, so sánh điện áp dẫn dương của diode IF = 10A, SiC và silicon, điện áp dẫn điốt SiC Schottky giảm là 1,5V, điện áp dẫn điốt phục hồi nhanh silicon giảm là 1,7V, hiệu suất vật liệu SiC tốt hơn vật liệu silicon. Ngoài ra, điện trở lớp trôi của Si MOSFET sẽ tăng gấp 2 lần so với ban đầu khi nhiệt độ tăng 100 ° C, nhưng điện trở lớp trôi của SiC MOSFET nhỏ, các điện trở khác như điện trở kênh sẽ giảm nhẹ ở nhiệt độ cao và Điện trở của chất nền n+ hầu như không phụ thuộc vào nhiệt độ nên điện trở trên không dễ tăng trong điều kiện nhiệt độ cao.

Cacbua silic có những ưu điểm trong lĩnh vực hiệu suất và ứng dụng, như:

1). Điểm nóng chảy và độ dẫn nhiệt cao: Cacbua silic có điểm nóng chảy và độ dẫn nhiệt rất cao, giúp nó hoạt động tốt trong môi trường nhiệt độ cao. Ngược lại, vật liệu bán dẫn silicon truyền thống có xu hướng mất hiệu suất ở nhiệt độ cao. Các vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba khác, chẳng hạn như gali nitrit (GaN) và oxit kẽm (ZnO), cũng hoạt động tốt trong một số ứng dụng cụ thể, nhưng tính ổn định và hiệu suất của cacbua silic ở nhiệt độ cao vẫn là ưu điểm độc nhất của nó.

2). Khoảng cách dải rộng: cacbua silic có khoảng cách dải lớn, dẫn đến cấu trúc mức năng lượng điện tử của nó có những đặc điểm độc đáo. Điều này cho phép cacbua silic đạt được tốc độ trôi bão hòa điện tử cao hơn trong các thiết bị điện tử tần số cao, công suất cao, do đó giảm tổn thất điện năng. Ngược lại, gallium nitride và kẽm oxit có khoảng trống dải nhỏ hơn và ít phù hợp hơn cho các ứng dụng năng lượng cao.

3). Tốc độ bão hòa điện trường cao: các electron của cacbua silic vẫn có thể duy trì tốc độ cao dưới điện trường cao và không dễ bị giới hạn bởi điện trường. Điều này mang lại hiệu suất tuyệt vời cho cacbua silic trong các ứng dụng tần số cao, chẳng hạn như bộ khuếch đại công suất RF và thiết bị vi sóng. Ngược lại, trong khi gali nitrit cũng có ưu điểm ở trường tần số cao thì cacbua silic vẫn có độ linh động điện tử cao hơn.

4). Cường độ điện trường đánh thủng cao: Cường độ điện trường đánh thủng của cacbua silic rất cao, nghĩa là nó có thể hoạt động dưới điện trường cao mà không làm giảm hiệu suất. Điều này rất quan trọng đối với các ứng dụng điện áp cao, điện tử công suất và hệ thống truyền tải điện. Ngược lại, các vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba khác có cường độ điện trường đánh thủng thấp hơn.

5). Hiệu suất tần số vô tuyến: Cacbua silic hoạt động tốt trong lĩnh vực tần số vô tuyến, với mức tổn hao thấp và khả năng mang điện cao. Điều này làm cho nó được sử dụng rộng rãi trong truyền thông không dây, hệ thống radar và thiết bị điện tử tần số cao. Ngược lại, các vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba khác có thể có đặc tính RF kém.

CÔNG TY TNHH CÔNG NGHỆ FOUNTYL. TNHH. là một doanh nghiệp hiện đại trong lĩnh vực R&D gốm sứ tiên tiến, sản xuất và bán hàng là một, chủ yếu sản xuất gốm xốp, alumina, zirconia, silicon nitride, silicon Carbide, nhôm nitride, gốm điện môi vi sóng và các vật liệu gốm tiên tiến khác. Chuyên gia công nghệ Nhật Bản được mời đặc biệt của chúng tôi có hơn 30 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực bán dẫn, cung cấp hiệu quả các giải pháp ứng dụng gốm sứ đặc biệt với khả năng chống mài mòn, chống ăn mòn, chịu nhiệt độ cao, dẫn nhiệt, cách nhiệt cao cho khách hàng trong và ngoài nước.