SiC-apparaten op een kruispunt: snelle vooruitgang te midden van voortdurende technische uitdagingen in de volgende generatie halfgeleiderindustrie
May 28, 2025
Ⅰ. Siliconencarbide (sic)
Vanwege de stabiele chemische eigenschappen, hoge thermische geleidbaarheid, lage thermische expansiecoëfficiënt en uitstekende slijtvastheid, heeft siliciumcarbide (SIC) toepassingen die veel verder zijn dan het traditionele gebruik ervan als schuurmiddel. SIC -poeder kan bijvoorbeeld worden toegepast op de binnenoppervlakken van turbine -stimulans of cilinder voeringen via speciale processen om de draagweerstand te verbeteren en de levensduur van de services met 1 tot 2 keer te verlengen. Hoogwaardige refractaire materialen gemaakt van SiC vertonen uitstekende thermische schokweerstand, verminderd volume, lichter gewicht en hoge mechanische sterkte, wat leidt tot aanzienlijke energiebesparende voordelen.
Laaggrade siliciumcarbide (met ongeveer 85% SIC) dient als een uitstekende deoxidizer in stalen, het versnellen van het smeltproces, het vergemakkelijken van de chemische samenstellingsregeling en het verbeteren van de algehele staalkwaliteit. Bovendien wordt SiC veel gebruikt bij de vervaardiging van siliciumcarbide verwarmingselementen (SIC -staven).
Siliciumcarbide is een extreem hard materiaal, met een MOHS -hardheid van 9,5 - alleen ten opzichte van diamant (10). Het bezit een uitstekende thermische geleidbaarheid en is een halfgeleider met uitstekende oxidatieweerstand bij verhoogde temperaturen.
Ⅱ. Voordelen van siliciumcarbide -apparaten
Siliconencarbide (SIC) is momenteel het meest volwassen brede-bandgap (WBG) halfgeleidermateriaal dat in ontwikkeling is. Landen over de hele wereld leggen veel nadruk op SIC -onderzoek en hebben substantiële middelen geïnvesteerd om de vooruitgang ervan te bevorderen.
De Verenigde Staten, Europa, Japan en anderen hebben ontwikkelingsstrategieën op nationaal niveau opgezet voor SIC. Grote spelers in de wereldwijde elektronica -industrie hebben ook veel geïnvesteerd in de ontwikkeling van SIC Semiconductor -apparaten.
In vergelijking met conventionele op silicium gebaseerde apparaten bieden SiC-gebaseerde componenten de volgende voordelen:
1. Hoogspanningscapaciteit
Siliciumcarbide -apparaten zijn bestand tegen spanningen tot 10 keer groter dan equivalente siliciumapparaten. SIC Schottky-diodes kunnen bijvoorbeeld afbraakspanningen ondersteunen van maximaal 2400 V. SiC-gebaseerde veldeffecttransistoren (FET's) kunnen werken op tientallen kilovolt met beheersbare weerstand op de staat.
2. hoogfrequente prestaties
(Specifieke details die niet in de originele tekst worden verstrekt, maar kunnen indien nodig worden aangevuld.)
3. Werking op hoge temperatuur
Met conventionele SI -apparaten die hun theoretische prestatielimieten naderen, worden SIC -stroomapparaten gezien als ideale kandidaten vanwege hun hoge afbraakspanning, lage schakelverliezen en superieure efficiëntie.
De wijdverbreide acceptatie van SIC Power -apparaten is echter afhankelijk van de balans tussen prestaties en kosten, evenals van de mogelijkheid om te voldoen aan de hoge eisen van geavanceerde productieprocessen.
Momenteel zijn siC-apparaten met lage kracht overgestapt van laboratoriumonderzoek naar commerciële productie. SIC -wafels blijven echter relatief duur en hebben een hogere defectdichtheid in vergelijking met traditionele halfgeleidermaterialen.
Ⅲ. De meest bekeken SIC MOS -apparaten
1. Sic-Mosfet
De SIC-Mosfet (siliciumcarbide metaal-oxide-halfgeleider veldeffect transistor) is momenteel het meest intensief onderzochte elektronische apparaat in het SIC-materiaalsysteem. Opmerkelijke doorbraken zijn gemaakt door toonaangevende bedrijven zoals Cree (VS) en Rohm (Japan).
In een typische SiC-Mosfet-structuur worden zowel het N+ -brongebied als de P-well gevormd met behulp van ionenimplantatie, gevolgd door gloeien bij hoge temperaturen (~ 1700 ° C) om de doteermiddelen te activeren. Een van de kritieke processen in de fabricage van SiC-Mosfet is de vorming van de poortoxidelaag. Gezien het feit dat siliciumcarbide bestaat uit zowel Si- als C -atomen, vereist de groei van poortdiëlektrica gespecialiseerde technieken voor oxidegroei.
Trenchstructuur versus vlakke structuur
De SIC-Mosfet-architectuur van het trench-type maximaliseert de prestatievoordelen van SIC-materialen ten opzichte van traditionele vlakke ontwerpen. Deze structuur zorgt voor een hogere stroomdichtheid, lagere onresistentie en een betere distributie van elektrische veld.
2. Voordelen van SIC-Mosfets
Conventionele silicium IGBT's werken meestal onder de 20 kHz. Vanwege intrinsieke materiaalbeperkingen is hoogspannings- en hoogfrequente werking moeilijk te bereiken met op siliconen gebaseerde apparaten.
SiC-Mosfets zijn daarentegen goed geschikt voor een breed scala aan spanningstoepassingen-van 600 V tot meer dan 10 kV-en vertonen uitstekende schakelkarakteristieken als unipolaire apparaten.
Vergeleken met silicium IGBT's bieden SIC-Mosfets:
- Nul staartstroom tijdens het schakelen,
- Lagere schakelverliezen,
- Aanzienlijk hogere bedrijfsfrequentie.
Een SiC-Mosfet-module van 20 kHz kan bijvoorbeeld de helft van het vermogensverlies vertonen van een Silicon IGBT-module van 3 kHz. Een 50 A SIC-module kan een 150 A SI-module effectief vervangen, wat de efficiëntie en hoogfrequente prestatievoordelen benadrukt.
Bovendien heeft de lichaamsdiode in SiC-Mosfets ultrasnelle omgekeerde herstelkenmerken, met:
- Extreem korte omgekeerde hersteltijd (TRR),
- Zeer lage omgekeerde herstellaad (QRR).
Bijvoorbeeld, bij dezelfde nominale stroom en spanning (bijv. 900 V), is de QRR van de lichaamsdiode van een SIC-Mosfet slechts 5% van die van een op silicium gebaseerde MOSFET. Dit is met name gunstig voor brugtype circuits (zoals LLC-resonerende converters die boven resonantie werken), zoals het:
- Vermindert dead-tijdseisen,
- Minimaliseert verliezen en ruis van het herstel van diodes,
- Maakt hogere schakelfrequenties mogelijk met een verbeterde efficiëntie.
3. Toepassingen van SIC-Mosfets
SIC-Mosfet-modules tonen substantiële voordelen in medium- tot krachtige energiesystemen, waaronder:
- Fotovoltaïsche (PV) omvormers,
- Windenergie -omzetters,
- Elektrische voertuigen (EV's),
- Spoorwegtractiesystemen.
Dankzij hun hoogspannings-, hoogfrequente en zeer efficiënte attributen, kunnen SIC-apparaten doorbraken in EV-aandrijflijnontwerp mogelijk zijn, waar traditionele siliciumapparaten bottlenecks voor prestaties hebben bereikt.
Prominente voorbeelden zijn:
- DENSO en Toyota, die gezamenlijk stroomregeling (PCU's) ontwikkelden voor hybride elektrische voertuigen (HEVS) en Battery Electric Vehicles (EV's) met behulp van SIC-Mosfet-modules. Deze systemen bereikten een volume -vermindering van 5x.
- Mitsubishi Electric, dat een SIC-Mosfet-gebaseerd EV Motor Drive-systeem ontwikkelde met volledig geïntegreerde motor en omvormer, het bereiken van miniaturisatie en systeemintegratie.
Volgens projecties werd verwacht dat SiC-Mosfet-modules tussen 2018 en 2020 een wijdverbreide acceptatie in elektrische voertuigen in elektrische voertuigen zouden zien, een trend die blijft groeien naarmate de technologie rijpt en de kosten dalen.
Ⅳ. Silicon Carbide Schottky Diodes (SIC SBD)
1. Apparaatstructuur
Siliconencarbide Schottky-diodes hanteren een junctiebarrière Schottky (JBS) -structuur, die effectief de omgekeerde lekstroom vermindert en de hoogspanningsblokkering verbetert. Deze structuur combineert de voordelen van lage voorwaartse spanningsval en hoge schakelsnelheid.
2. Voordelen van SIC Schottky Diodes
Als unipolaire apparaten bieden SIC Schottky -diodes superieure omgekeerde herstelkenmerken in vergelijking met traditionele silicium snelle hersteldioden (SI FRDS). Bij het overschakelen van voorwaartse geleiding naar omgekeerde blokkering, vertonen SIC -diodes:
- Bijna nul omgekeerde herstelstroom: omgekeerde hersteltijden zijn meestal minder dan 20ns; Een 600V/10A SIC SBD kan bijvoorbeeld minder dan 10ns bereiken.
- Hoge schakelfrequentiecapaciteit: maakt werking mogelijk op aanzienlijk hogere frequenties met verbeterde efficiëntie.
- Positieve temperatuurcoëfficiënt: weerstand neemt toe met de temperatuur, waardoor de apparaten geschikter worden voor parallelle werking en het verbeteren van de systeemveiligheid en betrouwbaarheid van het systeem.
- Stabiele schakelprestaties over temperaturen: schakelkenmerken blijven consistent onder thermische stress.
- Minimale schakelverliezen: ideaal voor zeer efficiënte toepassingen.
3. Toepassingen
SIC Schottky-diodes worden veel gebruikt in toepassingen op middellange tot krachtige, zoals:
- Schakel van stroomvoorraden (SMPS)
- Power Factor Correction (PFC) circuits
- Ononderbreekbare voedingen (UPS)
- Fotovoltaïsche omvormers en hernieuwbare energiesystemen
Door traditionele SI FRD's te vervangen door SIC SBD's in PFC -circuits maakt gebruik mogelijk bij frequenties van meer dan 300 kHz met behoud van de efficiëntie. Si FRD's ervaren daarentegen een significante efficiëntie die verder gaat dan 100 kHz. Hogere frequentie -werking vermindert ook de grootte van passieve componenten zoals inductoren, waardoor het totale PCB -volume met meer dan 30%krimpt.
Ⅴ. Hoe wordt siliciumcarbide (sic) beschouwd?
Siliciumcarbide wordt algemeen erkend als een doorbraak met brede bandgap halfgeleidermateriaal en een toonaangevende vertegenwoordiger van de derde generatie halfgeleiders. Het wordt geprezen om zijn uitstekende fysieke en elektrische eigenschappen:
1. Materiële superioriteit
- Brede bandgap (3,09 eV): 2,8 keer breder dan silicium, waardoor hogere afbraakspanningen mogelijk zijn.
- Hooguitbraak elektrisch veld (3,2 mV/cm): 5,3 keer hoger dan silicium, waardoor veel dunnere driftlagen mogelijk zijn.
- Hoge thermische geleidbaarheid (4,9 W/cm · k): 3,3 keer hoger dan silicium, waardoor een betere warmtedissipatie wordt vergemakkelijkt.
- Sterke stralingsweerstand en hoge draagdichtheid: geschikt voor extreme omgevingen.
2. Elektrische prestaties
SIC -apparaten bieden een dramatisch verbeterde prestaties in vergelijking met silicium -tegenhangers:
- Het driftgebied kan een orde van grootte dunner zijn dan die van silicium voor dezelfde spanningsclassificatie.
- Dopingconcentraties kunnen maximaal twee orden van grootte hoger zijn.
- De weerstand per oppervlakte-eenheid is maximaal 100 keer lager.
- Warmte -generatie is aanzienlijk verminderd, wat bijdraagt aan lagere geleiding en schakelverliezen.
- Bedrijfsfrequenties zijn meestal meer dan 10 keer hoger dan die van siliciumapparaten.
- SIC -apparaten kunnen functioneren bij temperaturen tot 400 ° C en kunnen hoge stromen en spanningen in compacte pakketten verwerken.
Recente ontwikkelingen hebben het mogelijk gemaakt om op SiC gebaseerde IGBT's en andere stroomapparaten te produceren met veel lagere op-resistentie en hitte-generatie. Deze eigenschappen maken SIC een ideaal materiaal voor elektronica van de volgende generatie.
Ⅵ. Huidige ontwikkelingsstatus van Silicon Carbide (SIC) -apparaten
1. Technische parameters
De spanningsbeoordelingen van Schottky -diodes zijn bijvoorbeeld toegenomen van 250V tot meer dan 1000 V, terwijl het chipgebied is afgenomen. De huidige beoordeling is echter nog steeds slechts enkele tientallen ampères. De bedrijfstemperaturen zijn verbeterd tot 180 ° C, wat nog ver van het theoretische maximum van 600 ° C is. De voorwaartse spanningsval is ook minder dan ideaal - vergelijkbaar met die van siliciumapparaten - met sommige SIC -diodes die voorwaartse spanningsdruppels vertonen zo hoog als 2V.
2. Marktprijs
SIC -apparaten zijn ongeveer5 tot 6 keer duurderdan gelijkwaardige apparaten op basis van siliconen.
Ⅶ. Uitdagingen bij de ontwikkeling van SIC -apparaten
Op basis van verschillende rapporten liggen de grote uitdagingen niet in het apparaatprincipe of het structurele ontwerp, dat in het algemeen kan worden opgelost, maar in het fabricageproces. Hier zijn enkele belangrijke problemen:
1. Microstructurele defecten in SIC -wafels
Een groot defect is de micropipe, die zelfs voor het blote oog zichtbaar is. Totdat deze defecten volledig zijn geëlimineerd in kristalgroei, is het moeilijk om SIC te gebruiken voor krachtige elektronische apparaten. Terwijl hoogwaardige wafels een verminderde micropipe-dichtheid hebben tot minder dan 15 cm⁻², vraagt industriële toepassingen een diameter van meer dan 100 mm met micropipe-dichtheden onder 0,5 cm⁻².
2. Lage efficiëntie van epitaxiale groei
SIC homoepitaxie wordt typisch uitgevoerd via chemische dampafzetting (CVD) bij temperaturen boven 1500 ° C. Vanwege sublimatieproblemen kunnen temperaturen niet hoger zijn dan 1800 ° C, wat resulteert in lage groeisnelheden. Hoewel vloeistoffase-epitaxie lagere temperaturen en hogere groeisnelheden mogelijk maakt, blijft de opbrengst laag.
3. Uitdagingen in dopingprocessen
Conventionele diffusiedoping is niet geschikt voor SiC vanwege de hoge diffusietemperatuur, die het maskeervermogen van de SIO₂ -laag en de stabiliteit van SIC zelf in gevaar brengt. Ionimplantatie is vereist, met name voor p-type doping met behulp van aluminium.
Aluminiumionen veroorzaken echter significante roosterschade en slechte activering, die implantatie vereist bij verhoogde substraattemperaturen gevolgd door gloeien op hoge temperatuur. Dit kan leiden tot oppervlakte -ontleding, si -atoomsublimatie en andere problemen. Optimalisatie van dopant -selectie, gloeitemperaturen en procesparameters is nog steeds aan de gang.
4. Moeilijkheid bij het vormen van ohmische contacten
Het maken van ohmische contacten met contactweerstand onder 10⁻⁵ Ω · cm² is van cruciaal belang. Hoewel Ni en Al typisch worden gebruikt, lijden ze aan een slechte thermische stabiliteit boven 100 ° C. Composietelektroden zoals AL/Ni/W/AU kunnen de thermische stabiliteit tot 600 ° C 100 uur verbeteren, maar de contactweerstand blijft hoog (~ 10⁻³ ω · cm²), waardoor betrouwbare ohmcontacten moeilijk te bereiken zijn.
5. Hittebestendigheid van hulpmaterialen
Hoewel SIC -chips kunnen werken bij 600 ° C, kunnen ondersteunende materialen zoals elektroden, soldeer, pakketten en isolatie vaak niet bestand zijn tegen dergelijke hoge temperaturen, waardoor de totale systeemprestaties worden beperkt.
Opmerking: dit zijn gewoon geselecteerde voorbeelden. Veel andere fabricage -uitdagingen - zoals geul etsen, passivering van randverzameling en de betrouwbaarheid van de poortoxide -interface in SIC MOSFET's - missen ideale oplossingen. De industrie moet nog geen consensus bereiken over verschillende van deze kwesties, waardoor de snelle ontwikkeling van SIC Power -apparaten aanzienlijk wordt belemmerd.
Ⅷ. Waarom SIC -apparaten nog niet op grote schaal worden aangenomen
De voordelen van SIC -apparaten werden al in de jaren zestig erkend. Wijdverbreide acceptatie is echter vertraagd vanwege tal van technische uitdagingen, met name bij de productie. Zelfs vandaag blijft de primaire industriële toepassing van SiC als een schuurmiddel (carborundum).
SIC smelt niet onder controleerbare druk maar sublimeert bij ongeveer 2500 ° C, wat betekent dat bulkkristalgroei moet beginnen vanuit de dampfase, een veel complexer proces dan siliciumgroei (Si smelt bij ~ 1400 ° C). Een van de grootste obstakels voor commercieel succes is het gebrek aan geschikte SIC -substraten voor Power Semiconductor -apparaten.
Voor silicium zijn single-kristal substraten (wafels) direct beschikbaar en vormen ze de basis voor grootschalige productie. Hoewel een methode voor het kweken van groot-area SIC-substraten (gemodificeerde Lely-methode) werd ontwikkeld in de late jaren zeventig, leed deze substraten aan micropipe-defecten.
Een enkele micropipe die een hoogspannings PN-junctie penetreert, kan zijn blokkeervermogen vernietigen. In de afgelopen drie jaar is de micropipe -dichtheid gedaald van tienduizenden per mm² tot tientallen per mm². Als gevolg hiervan zijn apparaatgroottes beperkt tot slechts enkele mm², met maximale nominale stromen van slechts enkele ampères.
Verdere verbeteringen in substraatkwaliteit zijn essentieel voordat SIC -stroomapparaten commercieel levensvatbaar kunnen worden.
Ⅸ. Vooruitgang in SIC -wafer en micropipe -dichtheid
Recente vooruitgang tonen aan dat SIC voor opto -elektronische apparaten een acceptabele kwaliteit heeft bereikt, met productieopbrengst en betrouwbaarheid die niet langer wordt gehinderd door materiële defecten. Voor hoogfrequente unipolaire apparaten zoals MOSFET's en Schottky-diodes, is micropipe-dichtheid meestal onder controle, hoewel het nog steeds enigszins invloed heeft op de opbrengst.
Voor hoogspanningsapparaten, high-power apparaten, hebben SIC-materialen nog steeds nog twee jaar ontwikkeling nodig om de defectdichtheid verder te verminderen. Ondanks de huidige uitdagingen is er geen twijfel dat SIC een van de meest veelbelovende halfgeleidermaterialen is voor de 21e eeuw.
Ⅹ. Gerelateerde producten
12 inch sic wafer 300 mm silicium carbide wafer geleidende dummy grade n-type onderzoeksgraad