Urządzenia SiC na skrzyżowaniu dróg: szybki postęp w obliczu ciągłych wyzwań technicznych w branży półprzewodników nowej generacji
May 28, 2025
Ⅰ. Węglik krzemowy (sic)
Ze względu na stabilne właściwości chemiczne, wysoką przewodność cieplną, niski współczynnik rozszerzenia cieplnego i doskonałą odporność na zużycie, węglika krzemu (SIC) ma zastosowania daleko poza jego tradycyjnym zastosowaniem jako ściernym. Na przykład proszek SIC można nakładać na wewnętrzne powierzchnie ciężarów turbinowych lub wkładek cylindrów poprzez specjalne procesy w celu zwiększenia odporności na zużycie i przedłużenia żywotności serwisowej o 1 do 2 razy. Materiały ogniotrwałe wysokiej jakości wykonane z SIC wykazują doskonałą odporność na wstrząsy termiczne, zmniejszoną objętość, lżejszą masę i wysoką wytrzymałość mechaniczną, co prowadzi do znacznych korzyści oszczędzania energii.
Niski krzem krzemowy (zawierający około 85% SIC) służy jako doskonały deoksyzator w tworzeniu stali, przyspieszając proces wytopu, ułatwiając kontrolę składu chemicznego i poprawiając ogólną jakość stali. Ponadto SIC jest szeroko stosowany w produkcji elementów ogrzewania węglika krzemu (pręty SIC).
Krzemowy węglik jest niezwykle twardym materiałem o twardości MOHS 9,5 - drugim tylko do diamentu (10). Ma doskonałą przewodność cieplną i jest półprzewodnikiem z wyjątkową odpornością na utlenianie w podwyższonych temperaturach.
Ⅱ. Zalety krzemowych urządzeń do węglika
Krzemowa węglika (SIC) jest obecnie najbardziej dojrzałym materiałem półprzewodnikowym szerokopasmowym (WBG) w opracowywaniu. Kraje na całym świecie stanowią duży nacisk na badania SIC i zainwestowały znaczne zasoby w promowanie jego postępu.
Stany Zjednoczone, Europa, Japonia i inne ustanowiły strategie rozwoju na poziomie krajowym dla SIC. Główni gracze w globalnej branży elektronicznej również dużo zainwestowali w rozwój SIC Semiconductor Devices.
W porównaniu z konwencjonalnymi urządzeniami na bazie krzemowych komponenty oparte na SIC oferują następujące zalety:
1. Zdolność wysokiego napięcia
Urządzenia z węglików krzemowych wytrzymują napięcia do 10 razy większe niż równoważne urządzenia krzemowe. Na przykład diody SIC Schottky mogą obsługiwać napięcia podziału do 2400 V. Tranzystory terenowe oparte na SIC (FETS) mogą działać na dziesiątki kilowoltów przy jednoczesnym utrzymaniu możliwej do oporności oporności w stanie.
2. Wydajność o wysokiej częstotliwości
(Szczegółowe szczegóły nie podane w oryginalnym tekście, ale można je w razie potrzeby uzupełnić.)
3. Operacja w wysokiej temperaturze
Ponieważ konwencjonalne urządzenia SI zbliżają się do ich teoretycznych limitów wydajności, urządzenia SIC Power są postrzegane jako idealni kandydaci ze względu na ich wysokie napięcie rozpadu, niskie straty przełączania i najwyższą wydajność.
Jednak powszechne przyjęcie urządzeń SIC Power zależy od równowagi między wydajnością a kosztami, a także od możliwości zaspokojenia wysokich wymagań zaawansowanych procesów produkcyjnych.
Obecnie urządzenia SIC o niskiej mocy przeszły z badań laboratoryjnych do produkcji komercyjnej. Jednak płytki SIC pozostają stosunkowo drogie i cierpią z powodu wyższej gęstości defektu w porównaniu z tradycyjnymi materiałami półprzewodnikowymi.
Ⅲ. Najczęściej oglądane urządzenia SIC MOS
1. SIC-MOSFET
SIC-MOSFET (tranzystor pola-semiconductor-semiconductor z węglika krzemu) jest obecnie najbardziej intensywnie badanym elektronicznym urządzeniem elektronicznym w systemie materiału SIC. Godne uwagi przełomy dokonały wiodące firmy, takie jak Cree (USA) i Rohm (Japonia).
W typowej strukturze SIC-MOSFET zarówno region źródłowy N+, jak i Well są tworzone przy użyciu implantacji jonowej, a następnie wyżarzanie w wysokich temperaturach (~ 1700 ° C) w celu aktywowania domieszek. Jednym z krytycznych procesów w wytwarzaniu SIC-MOSFET jest tworzenie warstwy tlenku bramki. Biorąc pod uwagę, że węglik krzemowy składa się zarówno z atomów SI, jak i C, wzrost dielektryków bramy wymaga wyspecjalizowanych technik wzrostu tlenku.
Struktura wykopu vs. struktura płaska
Architektura SIC-MOSFET typu rowowego maksymalizuje zalety wydajności materiałów SIC w porównaniu z tradycyjnymi planarnymi projektami. Ta struktura pozwala na wyższą gęstość prądu, niższą oporność i lepszy rozkład pola elektrycznego.
2. Zalety SIC-MOSFET
Konwencjonalne krzemowe IGBT zwykle działają poniżej 20 kHz. Ze względu na wewnętrzne ograniczenia materiałów, działanie wysokiego napięcia i wysokiej częstotliwości jest trudne do osiągnięcia za pomocą urządzeń na bazie krzemu.
Natomiast SIC-MOSFET są dobrze odpowiednie dla szerokiego zakresu zastosowań napięcia-od 600 V do ponad 10 kV-i wykazują doskonałe charakterystykę przełączania jako urządzenia jednobiegunowe.
W porównaniu z krzemowymi IGBTS, SIC-MOSFETS oferuje:
- Zero prądu ogona podczas przełączania,
- Niższe straty przełączania,
- Znacznie wyższa częstotliwość robocza.
Na przykład moduł SIC-MOSFET 20 kHz może wykazać połowę utraty mocy modułu IGBT krzemowego 3 kHz. Moduł SIC 50 A może skutecznie zastąpić moduł SI 150 A, podkreślając korzyści wydajności i wydajności o wysokiej częstotliwości.
Ponadto dioda ciała w SIC-MOSFETS ma bardzo szybkie charakterystykę odwrotnego odzyskiwania, zawierające:
- Niezwykle krótki czas regeneracji odwrotnego (TRR),
- Bardzo niski ładunek odwrotnego odzyskiwania (QRR).
Na przykład przy tym samym prądu znamionowym i napięciu (np. 900 V) QRR diody ciała SIC-Mosfet wynosi tylko 5% MOSFET na bazie krzemu. Jest to szczególnie korzystne dla obwodów typu mostowego (takie jak konwertera rezonansowe LLC działające powyżej rezonansu), jak to:
- Zmniejsza wymagania w czasie martwego,
- Minimalizuje straty i szum z odzyskiwania diody,
- Umożliwia wyższe częstotliwości przełączania o lepszej wydajności.
3. Zastosowania SIC-MOSFET
Moduły SIC-MOSFET wykazują znaczne zalety w systemach energetycznych o średnich i wysokiej mocy, w tym:
- Falowniki fotowoltaiczne (PV),
- Konwertery energii wiatrowej,
- Pojazdy elektryczne (EV),
- Systemy trakcji kolejowej.
Dzięki ich wysokim napięciu, wysokiej częstotliwości i atrybutom o wysokiej wydajności urządzenia SIC umożliwiają przełom w projektowaniu EV PowerTrain, w których tradycyjne urządzenia krzemowe osiągnęły wąskie gardła.
Wybitne przykłady obejmują:
- Denso i Toyota, które wspólnie opracowały jednostki sterowania mocą (PCU) dla hybrydowych pojazdów elektrycznych (HEVS) i pojazdów elektrycznych (EV) z wykorzystaniem modułów SIC-MOSFET. Systemy te osiągnęły 5 -krotną redukcję objętości.
- Mitsubishi Electric, który opracował system napędu EV oparty na SIC-MOSFET z w pełni zintegrowanym silnikiem i falownikiem, osiągając miniaturyzację i integrację systemu.
Zgodnie z prognozami, moduły SIC-MOSFET miały na celu powszechne przyjęcie pojazdów elektrycznych na całym świecie w latach 2018–2020, co jest trendem, który stale rośnie wraz ze dojrzewaniem technologii i spadku kosztów.
Ⅳ. Diody z węglików krzemowych Schottky (SIC SBD)
1. Struktura urządzenia
Diody z węglików krzemionowych Schottky przyjmują strukturę bariery Schottky (JBS), która skutecznie zmniejsza prąd nieszczelności odwrotnego i poprawia możliwości blokowania wysokiego napięcia. Ta struktura łączy zalety niskiego spadku napięcia do przodu i wysokiej prędkości przełączania.
2. Zalety Diod Sic Schottky
Jako urządzenia jednobiegunkowe diody SIC Schottky oferują doskonałe właściwości odwrotnego odzyskiwania w porównaniu z tradycyjnymi diodami szybkiego odzyskiwania krzemowego (SI FRD). Podczas przełączania się z przewodnictwa do przodu na blokowanie odwrotne, diody SIC wykazują:
- Prawie zerowy prąd odzyskiwania odwrotnego: odwrotne czasy odzyskiwania wynoszą zwykle mniej niż 20ns; Na przykład SBD 600 V/10A SIC może osiągnąć poniżej 10ns.
- Możliwość wysokiej częstotliwości przełączania: umożliwia działanie przy znacznie wyższych częstotliwościach o lepszej wydajności.
- Pozytywny współczynnik temperatury: oporność wzrasta wraz z temperaturą, co sprawia, że urządzenia są bardziej odpowiednie do równoległego działania i zwiększania bezpieczeństwa i niezawodności systemu.
- Stabilna wydajność przełączania w temperaturach: Charakterystyka przełączania pozostaje spójna przy naprężeniu termicznym.
- Minimalne straty przełączania: idealne do zastosowań o wysokiej wydajności.
3. Zastosowania
Diody SIC Schottky są szeroko stosowane w zastosowaniach o średniej i dużej mocy, takich jak:
- Przełączanie zasilaczy (SMP)
- Obwody korekcji współczynnika mocy (PFC)
- Zasilacze nieprzerwane (UPS)
- Fotowoltaiczne falowniki i systemy energii odnawialnej
Zastąpienie tradycyjnych SI FRDS SIC SBD w obwodach PFC umożliwia obsługę na częstotliwościach powyżej 300 kHz przy jednoczesnym utrzymaniu wydajności. Natomiast SI FRDS ma znaczny spadek wydajności powyżej 100 kHz. Wyższa działanie częstotliwości zmniejsza również rozmiar komponentów pasywnych, takich jak induktory, zmniejszając ogólną objętość PCB o ponad 30%.
Ⅴ. W jaki sposób uznaje się węglika krzemu (sic)?
Krzem krzemowy jest powszechnie rozpoznawany jako przełomowy materiał półprzewodnikowy szerokiej bandgap i wiodący przedstawiciel trzeciej generacji półprzewodników. Jest chwalony za swoje wybitne właściwości fizyczne i elektryczne:
1. Przewaga materialna
- Szerokie pasma (3,09 eV): 2,8 razy szersze niż krzem, umożliwiając wyższe napięcia rozpadu.
- Wysokie pole elektryczne (3,2 mV/cm): 5,3 razy wyższe niż krzem, umożliwiając znacznie cieńsze warstwy dryfu.
- Wysoka przewodność cieplna (4,9 w/cm · k): 3,3 razy wyższa niż krzem, ułatwiając lepsze rozpraszanie ciepła.
- Silna odporność na promieniowanie i wysoka gęstość nośnika: odpowiednie dla ekstremalnych środowisk.
2. Wydajność elektryczna
Urządzenia SIC oferują znacznie lepszą wydajność w porównaniu z krzemowymi odpowiednikami:
- Obszar dryfu może być o rząd wielkości cieńszy niż krzemion dla tego samego napięcia.
- Stężenia domieszkowania mogą być do dwóch rzędów wielkości wyższe.
- Odporność na jednostkę powierzchni jest nawet 100 razy niższa.
- Generowanie ciepła jest znacznie zmniejszone, przyczyniając się do niższego przewodzenia i strat przełączania.
- Częstotliwości robocze są zwykle ponad 10 razy wyższe niż w przypadku urządzeń krzemowych.
- Urządzenia SIC mogą funkcjonować w temperaturach do 400 ° C i są w stanie obsłużyć wysokie prądy i napięcia w kompaktowych pakietach.
Ostatnie postępy umożliwiły produkcję IGBT opartych na SIC i innych urządzeń energetycznych o znacznie niższej oporności i generowaniu ciepła. Właściwości te sprawiają, że SIC jest idealnym materiałem do elektroniki mocy nowej generacji.
Ⅵ. Obecny status rozwoju urządzeń z węglika krzemu (SIC)
1. Parametry techniczne
Na przykład oceny napięcia diod Schottky wzrosły z 250 V do ponad 1000 V, podczas gdy obszar chipów spadł. Jednak obecna ocena to wciąż tylko kilka dziesiątek amperów. Temperatury robocze poprawiły się do 180 ° C, co wciąż jest dalekie od teoretycznego maksimum 600 ° C. Spadek napięcia do przodu jest również mniejszy niż idealny - złożony w stosunku do urządzeń krzemowych - z niektórymi diodami SIC wykazującymi spadki napięcia do przodu tak wysokie jak 2 V.
2. Cena rynkowa
Urządzenia SIC są w przybliżeniu5 do 6 razy droższeniż równoważne urządzenia na bazie krzemu.
Ⅶ. Wyzwania w rozwoju urządzeń SIC
Na podstawie różnych raportów główne wyzwania nie leżą w zasadzie urządzenia ani konstrukcyjnej, które można ogólnie rozwiązać, ale w procesie wytwarzania. Oto kilka kluczowych problemów:
1. Defekty mikrostrukturalne w waflach SIC
Główną wadą jest mikropipe, który jest widoczny nawet dla nagiego oka. Dopóki te wady nie zostaną całkowicie wyeliminowane w wzrostu kryształów, trudno jest użyć SIC do urządzeń elektronicznych o dużej mocy. Podczas gdy wysokiej jakości płytki zmniejszają gęstość mikropełu do mniej niż 15 cm⁻², zastosowania przemysłowe wymagają płytek o średnicy ponad 100 mm z gęstościami mikropipu poniżej 0,5 cm⁻².
2. Niska wydajność wzrostu epitaksjalnego
Homoepitaksja SIC jest zwykle wykonywana przez chemiczne odkładanie pary (CVD) w temperaturach powyżej 1500 ° C. Z powodu problemów sublimacji temperatury nie mogą przekraczać 1800 ° C, co powoduje niskie tempo wzrostu. Podczas gdy epitaxia w fazie cieczy pozwala na niższe temperatury i wyższe tempo wzrostu, wydajność pozostaje niska.
3. Wyzwania w procesach domieszkowania
Konwencjonalne domieszkowanie dyfuzyjne nie jest odpowiednie dla SIC ze względu na jego wysoką temperaturę dyfuzyjną, która zagraża zdolności maskowania warstwy SiO₂ i stabilności samej SIC. Wymagana jest implantacja jonów, szczególnie w przypadku domieszkowania typu p przy użyciu aluminium.
Jednak jony aluminiowe powodują znaczne uszkodzenie sieci i słabą aktywację, wymagając implantacji w podwyższonych temperaturach podłoża, a następnie wyżarzanie w wysokiej temperaturze. Może to prowadzić do rozkładu powierzchni, sublimacji atomów SI i innych problemów. Wciąż trwa optymalizacja selekcji domieszkowania, temperatury wyżarzania i parametrów procesu.
4. Trudność w tworzeniu kontaktów omowych
Tworzenie kontaktów omowych z rezystywnością kontaktową poniżej 10⁻⁵ Ω · cm² ma kluczowe znaczenie. Podczas gdy Ni i Al są zwykle używane, cierpią na słabą stabilność termiczną powyżej 100 ° C. Elektrody kompozytowe, takie jak Al/Ni/W/Au, mogą poprawić stabilność termiczną do 600 ° C przez 100 godzin, ale rezystywność kontaktowa pozostaje wysoka (~ 10⁻³ Ω · cm²), co utrudnia niezawodne kontakty omowe.
5. Odporność na ciepło materiałów pomocniczych
Chociaż układy SIC mogą działać w temperaturze 600 ° C, materiały podtrzymujące takie jak elektrody, lut, pakiety i izolacja często nie mogą wytrzymać tak wysokich temperatur, ograniczając ogólną wydajność systemu.
Uwaga: Są to tylko wybrane przykłady. Wiele innych wyzwań wytwarzania - takich jak trawienie wykopowe, pasywacja do zakończenia krawędzi i niezawodność interfejsu tlenku bramek w MOSFET SIC - nadal będzie miała idealne rozwiązania. Przemysł nie osiągnął jeszcze konsensusu wśród kilku z tych problemów, znacznie utrudniając szybki rozwój urządzeń Power SIC.
Ⅷ. Dlaczego urządzenia SIC nie są jeszcze szeroko przyjmowane
Zalety urządzeń SIC zostały rozpoznane już w latach 60. XX wieku. Jednak powszechne przyjęcie zostało opóźnione z powodu licznych wyzwań technicznych, szczególnie w produkcji. Nawet dzisiaj podstawowe zastosowanie SIC pozostaje ścierne (Carborundum).
SIC nie topi się pod kontrolowanym ciśnieniem, ale sublimaty w około 2500 ° C, co oznacza, że wzrost kryształów objętościowych musi rozpocząć się od fazy pary, co jest znacznie bardziej złożonym procesem niż wzrost krzemu (SI topi się w ~ 1400 ° C). Jedną z największych przeszkód w sukcesie komercyjnym jest brak odpowiednich substratów SIC dla urządzeń półprzewodników Power.
W przypadku silikonu podłoża pojedynczych kryształów (wafle) są łatwo dostępne i stanowią podstawę do produkcji na dużą skalę. Chociaż pod koniec lat siedemdziesiątych opracowano metodę uprawy substratów SIC na dużym obszarze (zmodyfikowana metoda LELE), podłoża te cierpiały z powodu wad mikropipe.
Pojedyncza mikropełucka przenikająca połączenie PN o wysokim napięciu może zniszczyć jego zdolność blokowania. W ciągu ostatnich trzech lat gęstość mikropełu spadła z dziesiątek tysięcy na mm² do dziesiątek na mm². W rezultacie rozmiary urządzeń były ograniczone tylko do kilku mm², przy maksymalnych prądach znamionowych zaledwie kilku amperów.
Dalsze ulepszenia jakości podłoża są niezbędne, zanim urządzenia SIC Power mogą stać się opłacalne komercyjnie.
Ⅸ. Postęp w gęstości opłatek SIC i mikropipe
Ostatnie postępy pokazują, że SIC dla urządzeń optoelektronicznych osiągnęła akceptowalną jakość, z wydajnością produkcyjną i niezawodnością nie utrudniają już wady materialne. W przypadku urządzeń jednobiegunowych o wysokiej częstotliwości, takich jak MOSFET i diody Schottky'ego, gęstość mikropełu jest głównie pod kontrolą, chociaż nadal nieznacznie wpływa na wydajność.
W przypadku urządzeń o dużej mocy materiały SIC nadal potrzebują kolejnych dwóch lat rozwoju, aby jeszcze bardziej zmniejszyć gęstość defektów. Pomimo obecnych wyzwań nie ma wątpliwości, że SIC jest jednym z najbardziej obiecujących materiałów półprzewodników na XXI wiek.
Ⅹ. Powiązane produkty
12-calowy wafel SIC 300 mm krzemowy węglika przewodząca klasa badawcza npokomowego