Детали блога

Ⅰ. Карбид кремния (sic)

Благодаря своим стабильным химическим свойствам, высокой теплопроводности, низким коэффициентом термического расширения и превосходной устойчивости к износу, кремниевый карбид (SIC) имеет применение далеко за пределами его традиционного использования в качестве абразивного. Например, порошок SIC может быть применен на внутренние поверхности турбинных рубцов или вкладыша цилиндров посредством специальных процессов, чтобы повысить устойчивость к износу и продлить срок службы в 1-2 раза. Высококачественные рефрактерные материалы, изготовленные из SIC, демонстрируют превосходную тепловой устойчивость, уменьшение объема, более легкий вес и высокую механическую прочность, что приводит к значительным энергосберегающим преимуществам.

Кремниевый карбид с низким уровнем (содержащий приблизительно 85% SIC) служит отличным дексидийзером при изготовлении стали, ускоряя процесс плавки, способствуя управлению химическим составом и улучшая общее качество стали. Кроме того, SIC широко используется при изготовлении элементов отопления кремниевого карбида (стержни SIC).

Кремниевый карбид - это чрезвычайно твердый материал, с твердостью MOHS 9,5 - второй только для алмаза (10). Он обладает превосходной теплопроводностью и является полупроводником с выдающейся устойчивостью к окислению при повышенных температурах.

Ⅱ. Преимущества карбидных устройств кремния

Кремниевый карбид (SIC) в настоящее время является самым зрелым полупроводниковым материалом с широкополосным (WBG). Страны по всему миру уделяют большое внимание исследованиям SIC и инвестировали существенные ресурсы, чтобы способствовать его продвижению.

Соединенные Штаты, Европа, Япония и другие создали стратегии развития национального уровня для SIC. Основные игроки в глобальной электронике также вложили значительные средства в разработку полупроводниковых устройств SIC.

По сравнению с обычными устройствами на основе кремния, компоненты на основе SIC предлагают следующие преимущества:

1. Возможности высокого напряжения

Кремниевые карбидные устройства выдерживают напряжения в 10 раз больше, чем эквивалентные кремниевые устройства. Например, диоды SIC Schottky могут поддерживать напряжения разбивки до 2400 V. На основе полевых транзисторов на основе SIC (FEETS) могут работать при десятках киловолт при сохранении управляемого сопротивления в штате.

2. Высокочастотная производительность

(Конкретные детали, не представленные в исходном тексте, но могут быть дополнены при необходимости.)

3. Высокотемпературная работа

С обычными устройствами SI, приближающимися к их теоретическим пределам производительности, силовые устройства SIC рассматриваются как идеальные кандидаты из -за их высокого напряжения разбивки, низких потерь переключения и превосходной эффективности.

Тем не менее, широко распространенное внедрение силовых устройств SIC зависит от баланса между производительностью и стоимостью, а также от способности удовлетворить высокие требования передовых производственных процессов.

В настоящее время устройства SIC с низким энергопотреблением перешли от лабораторных исследований к коммерческому производству. Тем не менее, пластики SIC остаются относительно дорогими и страдают от более высокой плотности дефектов по сравнению с традиционными полупроводниковыми материалами.

Ⅲ. Наиболее широко наблюдаемые устройства SIC MOS

1. SIC-MOSFET

SIC-MOSFET (кремниевый карбид-карбидный металл-оксид-полупроводник транзистор поля) в настоящее время является наиболее интенсивно исследованным электронным устройством мощности в системе материалов SIC. Примечательные прорывы были сделаны ведущими компаниями, такими как Cree (США) и Rohm (Япония).

В типичной структуре SIC-MOSFET как области N+ Source, так и P-Well образуются с использованием ионной имплантации с последующим отжигом при высоких температурах (~ 1700 ° C) для активации легированных вон. Одним из критических процессов в изготовлении SIC-MOSFET является образование слоя оксида затвора. Учитывая, что карбид кремния состоит из атомов Si и C, рост диэлектриков затвора требует специализированных методов роста оксида.

Структура траншеи против плоской структуры

Архитектура SIC-MOSFET Trench-Mosfet максимизирует преимущества производительности материалов SIC по сравнению с традиционными планарными дизайнами. Эта структура обеспечивает более высокую плотность тока, более низкую на устойчивость и лучшее распределение электрического поля.

2. Преимущества SIC-MOSFETS

Обычные кремниевые IGBT обычно работают ниже 20 кГц. Из-за внутренних ограничений материала высоковольтная и высокочастотная операция трудно достичь с помощью устройств на основе кремния.

Напротив, SIC-MOSFET хорошо подходят для широкого спектра применений напряжения-от 600 В до более 10 кВ-и демонстрируют отличные характеристики переключения в качестве униполярных устройств.

По сравнению с кремниевыми IGBT, SIC-MOSFETS предлагает:

• Нулевой ток хвоста во время переключения,
• Более низкие потери переключения,
• Значительно более высокая частота эксплуатации.

Например, модуль SIC-MOSFET 20 кГц может демонстрировать половину потери мощности силиконового модуля IGBT 3 кГц. Модуль 50 A SIC может эффективно заменить модуль 150 A SI, подчеркивая эффективность и высокочастотные преимущества производительности.

Кроме того, диод тела в SIC-Mosfets имеет сверхбыстрые характеристики обратного восстановления, включающие:

• Чрезвычайно короткое время восстановления обратного восстановления (TRR),
• Очень низкий заряд обратного восстановления (QRR).

Например, при одном и том же оцениваемом токе и напряжении (например, 900 В) QRR диода тела SIC-MOSFET составляет всего 5% от дина на основе кремния. Это особенно полезно для мостовых цепей (таких как резонансные преобразователи LLC, работающие выше резонанса), как это:

• Уменьшает требования к мертвому времени,
• Минимизирует потери и шум от восстановления диодов,
• Получает более высокие частоты переключения с повышением эффективности.

3. Применение SIC-MOSFETS

Модули SIC-MOSFET демонстрируют существенные преимущества в энергетических системах средней и мощности, в том числе:

• Фотоэлектрические (PV) инверторы,
• Преобразователи энергии ветра,
• Электромобили (EVS),
• Железнодорожные тяги.

Благодаря их высоковольтным, высокочастотным и высокоэффективным атрибутам, устройства SIC позволяют прорывы в дизайне электростанции EV, где традиционные кремниевые устройства достигли узких мест производительности.

Выдающиеся примеры включают в себя:

• Denso и Toyota, которые совместно разработали блоки управления электроэнергией (PCU) для гибридных электромобилей (HEV) и батарейных электромобилей (EV) с использованием модулей SIC-MOSFET. Эти системы достигли 5 -кратного уменьшения объема.
• Mitsubishi Electric, которая разработала систему двигателя EV на основе SIC-MOSFET с полностью интегрированным двигателем и инвертором, достигая миниатюризации и интеграции системы.

Согласно прогнозам, модули SIC-MOSFET должны были увидеть широкое распространение на электромобилях в период с 2018 по 2020 год, что продолжает расти по мере сокращения технологий и снижения затрат.

Ⅳ. Силиконовый карбид Шоттки Диоды (SIC SBD)

1. Структура устройства

Кремниевые карбид Шоттки Диоды принимают структуру для соединения Шоттки (JBS), которая эффективно снижает ток обратной утечки и улучшает возможности блокировки высоковольтного блокировки. Эта структура сочетает в себе преимущества низкого перепада напряжения вперед и высокую скорость переключения.

2. Преимущества диодов SIC Schottky

В качестве униполярных устройств диоды SIC Schottky предлагают превосходные характеристики обратного восстановления по сравнению с традиционными диодами быстрого восстановления кремния (SI FRD). При переключении от передней проводимости на обратную блокировку диоды SIC демонстрируют:

• Практическое ток обратного восстановления в почти нулевом: время обратного восстановления, как правило, меньше 20 нс; Например, SBD 600V/10A SIC может достигать 10NS.
• Высокая частота переключения: обеспечивает работу на значительно более высоких частотах с повышением эффективности.
• Положительный коэффициент температуры: сопротивление увеличивается с температурой, делая устройства более подходящими для параллельной работы и повышения безопасности и надежности системы.
• Стабильная производительность переключения по температуре: характеристики переключения остаются последовательными при тепловом напряжении.
• Минимальные потери переключения: идеально подходит для высокоэффективных приложений.

3. Приложения

Диоды SIC Schottky широко используются в средних и мощных приложениях, таких как:

• Переключение источников питания (SMP)
• Схемы коррекции коэффициента мощности (ПФУ)
• Бесперебойные источники питания (UPS)
• Фотоэлектрические инверторы и системы возобновляемых источников энергии

Замена традиционных Si FRD на SIC SBD в схемах PFC позволяет работать на частотах более 300 кГц при сохранении эффективности. Напротив, SI FRD испытывают значительное снижение эффективности выше 100 кГц. Более высокая частотная операция также уменьшает размер пассивных компонентов, таких как индукторы, сокращая общий объем печатной платы более чем на 30%.

Ⅴ. Как рассматривается карбид кремния (sic)?

Карбид кремния широко признан как полупроводниковый материал с широкой прорывной полосой и ведущий представитель третьего поколения полупроводников. Его хвалят за его выдающиеся физические и электрические свойства:

1. Материальное превосходство

• Широкая зона полоса (3,09 эВ): в 2,8 раза шире, чем кремний, что позволяет более высоким напряжениям разбивки.
• Электрическое поле с высоким расщеплением (3,2 мВ/см): в 5,3 раза выше, чем кремний, что позволяет гораздо более тонкие слои дрейфа.
• Высокая теплопроводность (4,9 Вт/см · К): в 3,3 раза выше, чем кремний, облегчая лучшую рассеяние тепла.
• Сильное радиационное сопротивление и высокая плотность носителей: подходит для экстремальных сред.

2. Электрическая производительность

Устройства SIC предлагают значительно улучшенную производительность по сравнению с кремниевыми аналогами:

• Область дрейфа может быть порядок более тонкой, чем кремния для того же уровня напряжения.
• Концентрации допинга могут быть на два порядка выше.
• Устойчивость на единицу площади в 100 раз ниже.
• Выработка тепла значительно снижается, что способствует более низкой проводимости и потери переключения.
• Рабочие частоты, как правило, более чем в 10 раз выше, чем у кремниевых устройств.
• Устройства SIC могут функционировать при температуре до 400 ° C и способны обрабатывать высокие токи и напряжения в компактных пакетах.

Недавние достижения позволили производить IGBT на основе SIC и другие энергопотребления с гораздо более низкой резистентностью и генерацией тепла. Эти свойства делают SIC идеальным материалом для электроники мощности следующего поколения.

Ⅵ. Текущее состояние разработки устройств карбида кремния (SIC)

1. Технические параметры

Например, рейтинги напряжения диодов Шоттки увеличились с 250 В до более 1000 В, а область чипа снизилась. Тем не менее, текущий рейтинг по -прежнему составляет всего несколько десятков ампер. Рабочие температуры улучшились до 180 ° C, что все еще далеко от теоретического максимума 600 ° C. Переднее снижение напряжения также не является идеальным - сравниваемое с кремниевым устройством - с некоторыми диодами SIC, демонстрирующими прямые падения напряжения до 2 В.

2. Рыночная цена

Устройства SIC приблизительноВ 5-6 раз дорожечем эквивалентные устройства на основе кремния.

Ⅶ. Проблемы в разработке устройств SIC

Основываясь на различных отчетах, основные проблемы заключаются не в принципе устройства или структурной конструкции, которые обычно могут быть решены, а в процессе изготовления. Вот несколько ключевых вопросов:

1. Микроструктурные дефекты в SIC -платежах

Основным дефектом является микропид, который виден даже невооруженным глазом. Пока эти дефекты не будут полностью устранены в росте кристаллов, трудно использовать SIC для мощных электронных устройств. В то время как высококачественные пластины имеют пониженную плотность микропийса до менее чем 15 см ², промышленные применения требуют вафей диаметром более 100 мм с плотностью микропийса ниже 0,5 см ².

2. Низкая эффективность эпитаксиального роста

SIC -гомоэпитаксия обычно выполняется с помощью химического отложения паров (ССЗ) при температуре выше 1500 ° С. Из -за проблем сублимации температура не может превышать 1800 ° C, что приводит к низким темпам роста. В то время как жидкость эпитаксии обеспечивает более низкие температуры и более высокие темпы роста, выход остается низким.

3. Проблемы в процессах допинга

Обычное допинг диффузии не подходит для SIC из -за его высокой температуры диффузии, которая ставит под угрозу маскирующую способность слоя SIO₂ и стабильность самого SIC. Требуется ионная имплантация, особенно для легирования P-типа с использованием алюминия.

Тем не менее, ионы алюминия вызывают значительное повреждение решетки и плохую активацию, требуя имплантации при повышенных температурах субстрата с последующим высокотемпературным отжигом. Это может привести к разложению поверхности, сублимации атома SI и другим вопросам. Оптимизация выбора легирующей примеси, температуры отжига и параметров процесса все еще продолжается.

4. Сложность в формировании омических контактов

Создание омических контактов с удельным сопротивлением контакта ниже 10⁻⁵ · см² имеет решающее значение. В то время как Ni и Al обычно используются, они страдают от плохой тепловой стабильности выше 100 ° C. Композитные электроды, такие как Al/Ni/W/Au, могут повысить тепловую стабильность до 600 ° C в течение 100 часов, но удельное сопротивление контакта остается высоким (~ 10⁻³ ω · см²), что затрудняет достижение надежных контактов с омическими контактами.

5. Теплостойкость вспомогательных материалов

Хотя чипы SIC могут работать при 600 ° C, вспомогательные материалы, такие как электроды, припой, пакеты и изоляция, часто не могут противостоять таким высоким температурам, ограничивая общую производительность системы.

Примечание: это только выбранные примеры. Многие другие проблемы с изготовления, такие как травление траншеи, пассивация по удручиванию края и надежность границы раздела оксида затвора в SIC Mosfets, все еще не хватает идеальных решений. Промышленность еще не достигла консенсуса по некоторым из этих вопросов, что значительно препятствует быстрому развитию силовых устройств SIC.

Ⅷ. Почему устройства SIC еще не широко приняты

Преимущества устройств SIC были признаны еще в 1960 -х годах. Тем не менее, широкое распространение было отложено из -за многочисленных технических проблем, особенно в производстве. Даже сегодня основное промышленное применение SIC остается абразивным (Carborundum).

SIC не тает под контролируемым давлением, но сублиматизирует примерно при 2500 ° C, что означает, что рост объемного кристалля должен начинаться с паразы пара, гораздо более сложный процесс, чем рост кремния (Si расплавляется при ~ 1400 ° C). Одним из самых больших препятствий для коммерческого успеха является отсутствие подходящих субстратов SIC для устройств с полупроводниковыми устройствами.

Для кремния однокристаллические субстраты (пластики) легко доступны и являются основой для крупномасштабного производства. Несмотря на то, что в конце 1970-х эти субстраты были разработаны метод выращивания субстратов SIC крупной области (модифицированный метод LELY), эти субстраты страдали от дефектов микропийных.

Один микропик, проникающий в высоковольтный ПН-соединение, может разрушить его возможность блокировки. За последние три года плотность микропийса упала с десятков тысяч на мм² до десятков на мм². В результате размеры устройств были ограничены лишь несколькими мм², с максимальными оцениваемыми токами всего несколько ампер.

Дальнейшие улучшения качества субстрата необходимы, прежде чем силовые устройства SIC могут стать коммерчески жизнеспособными.

Ⅸ. Прогресс в плотности SIC и плотности микропий

Последние достижения показывают, что SIC для оптоэлектронных устройств достигли приемлемого качества, причем доходность и надежность более не мешают материалам дефектов. Для высокочастотных униполярных устройств, таких как MOSFET и диоды Шоттки, плотность микропийса в основном находится под контролем, хотя она все еще немного влияет на выход.

Для высоковольтных, мощных устройств материалам SIC по-прежнему требуется еще два года развития, чтобы еще больше снизить плотность дефектов. Несмотря на текущие проблемы, нет никаких сомнений в том, что SIC является одним из самых перспективных полупроводниковых материалов для 21 -го века.

Ⅹ. Связанные продукты

12-дюймовая пластина SIC 300 мм кремниевая карбида карбида проводящего пластин.