SiC cihazları bir kavşağında: Yeni nesil yarı iletken endüstrisinde devam eden teknik zorluklar arasında hızlı ilerlemeler
May 28, 2025
Ⅰ. Silikon Karbür (sic)
Kararlı kimyasal özellikleri, yüksek termal iletkenlik, düşük termal genleşme katsayısı ve mükemmel aşınma direnci nedeniyle, silikon karbür (sic), geleneksel bir aşındırıcı olarak kullanımının çok ötesinde uygulamalara sahiptir. Örneğin, SIC tozu, aşınma direncini arttırmak ve servis ömrünü 1 ila 2 kez genişletmek için özel işlemler yoluyla türbin pervane veya silindir gömleklerinin iç yüzeylerine uygulanabilir. SIC'den yapılan yüksek dereceli refrakter malzemeler mükemmel termal şok direnci, azaltılmış hacim, daha hafif ağırlık ve yüksek mekanik mukavemet sergiler, bu da enerji tasarrufu sağlayan önemli faydalara yol açar.
Düşük dereceli silikon karbür (yaklaşık% 85 sic içeren) çelik yapımında mükemmel bir deoksider görevi görür, eritme işlemini hızlandırır, kimyasal bileşim kontrolünü kolaylaştırır ve genel çelik kalitesini iyileştirir. Ek olarak, sic silikon karbür ısıtma elemanlarının (SIC çubukları) üretiminde yaygın olarak kullanılmaktadır.
Silikon karbür, MOHS sertliği 9.5 olan son derece sert bir malzemedir - saniye sadece elmas içindir (10). Mükemmel termal iletkenliğe sahiptir ve yüksek sıcaklıklarda olağanüstü oksidasyon direncine sahip bir yarı iletkendir.
Ⅱ. Silikon karbür cihazlarının avantajları
Silikon karbür (sic) şu anda geliştirme altında en olgun geniş bandgap (WBG) yarı iletken malzemedir. Dünyanın dört bir yanındaki ülkeler SIC araştırmalarına büyük önem vermektedir ve ilerlemesini teşvik etmek için önemli kaynaklar yatırmıştır.
Amerika Birleşik Devletleri, Avrupa, Japonya ve diğerleri SIC için ulusal düzeyde kalkınma stratejileri oluşturmuştur. Küresel elektronik endüstrisindeki büyük oyuncular da SIC Semiconductor cihazlarının geliştirilmesine büyük yatırım yaptılar.
Geleneksel silikon tabanlı cihazlarla karşılaştırıldığında, SIC tabanlı bileşenler aşağıdaki avantajları sunar:
1. Yüksek voltaj kapasitesi
Silikon karbür cihazları, eşdeğer silikon cihazlardan 10 kat daha fazla voltajlara dayanır. Örneğin, SIC Schottky diyotları 2400 V'ye kadar arıza voltajlarını destekleyebilir.
2. Yüksek frekanslı performansı
(Orijinal metinde verilmeyen belirli ayrıntılar, ancak gerekirse desteklenebilir.)
3. Yüksek sıcaklık işlemi
Geleneksel SI cihazlarının teorik performans sınırlarına yaklaşmasıyla, SIC güç cihazları yüksek arıza voltajları, düşük anahtarlama kayıpları ve üstün verimlilikleri nedeniyle ideal adaylar olarak görülmektedir.
Bununla birlikte, SIC güç cihazlarının yaygın olarak benimsenmesi, performans ve maliyet arasındaki dengeye ve ileri üretim süreçlerinin yüksek taleplerini karşılama yeteneğine bağlıdır.
Şu anda, düşük güçlü SIC cihazları laboratuvar araştırmalarından ticari üretime geçiş yapmıştır. Bununla birlikte, SIC gofretleri nispeten pahalı kalır ve geleneksel yarı iletken malzemelere kıyasla daha yüksek bir kusur yoğunluğundan muzdariptir.
Ⅲ. En çok izlenen SIC MOS cihazları
1. Sic-Mosfet
SIC-MOSFET (Silikon Karbür Metal-Oksit-Semikatör Alan Etkili Transistör) şu anda SIC malzeme sistemi içindeki en yoğun araştırılan güç elektronik cihazdır. Cree (ABD) ve Rohm (Japonya) gibi önde gelen şirketler tarafından dikkate değer atılımlar yapılmıştır.
Tipik bir SIC-MOSFET yapısında, hem N+ kaynak bölgesi hem de P-kuyucusu iyon implantasyonu kullanılarak oluşturulur, ardından dopantları aktive etmek için yüksek sıcaklıklarda (~ 1700 ° C) tavlama yapılır. SIC-Mosfet imalatındaki kritik süreçlerden biri, kapı oksit tabakasının oluşumudur. Silikon karbürün hem Si hem de C atomlarından oluştuğu göz önüne alındığında, kapı dielektriklerinin büyümesi özel oksit büyüme teknikleri gerektirir.
Hendek yapısı ile düzlemsel yapı
Hendek tipi SIC-MOSFET mimarisi, SIC malzemelerinin geleneksel düzlemsel tasarımlar üzerindeki performans avantajlarını en üst düzeye çıkarır. Bu yapı, daha yüksek akım yoğunluğu, daha düşük direnç ve daha iyi elektrik alan dağılımı sağlar.
2. SIC-MOSFET'lerin Avantajları
Geleneksel silikon IGBT'ler tipik olarak 20 kHz'in altında çalışır. İçsel malzeme sınırlamaları nedeniyle, silikon bazlı cihazlarla yüksek voltaj ve yüksek frekanslı çalışmanın elde edilmesi zordur.
Buna karşılık, SIC-MOSFET'ler, 600 V'dan 10 kV'nin üzerine kadar çok çeşitli voltaj uygulamaları için çok uygundur ve tek kutuplu cihazlar olarak mükemmel anahtarlama özellikleri sergiler.
Silikon IGBT'lerle karşılaştırıldığında, SIC-MOSFET'ler:
- Anahtarlama sırasında sıfır kuyruk akımı,
- Daha düşük anahtarlama kayıpları,
- Önemli ölçüde daha yüksek çalışma frekansı.
Örneğin, 20 kHz SIC-MOSFET modülü, 3 kHz silikon IGBT modülünün güç kaybının yarısını sergileyebilir. 50 A SIC modülü, verimliliği ve yüksek frekanslı performans avantajlarını vurgulayarak 150 A SI modülünü etkili bir şekilde değiştirebilir.
Ayrıca, SIC-MOSFET'lerdeki vücut diyotu, aşağıdakileri içeren ultra hızlı ters kurtarma özelliklerine sahiptir:
- Son derece kısa ters kurtarma süresi (TRR),
- Çok düşük ters kurtarma şarjı (QRR).
Örneğin, aynı derecelendirilmiş akım ve voltajda (örn. 900 V), bir SIC-Mosfet'in vücut diyotunun QRR'si silikon bazlı bir MOSFET'in sadece% 5'idir. Bu, özellikle köprü tipi devreler (rezonansın üzerinde çalışan LLC rezonant dönüştürücüleri gibi) için yararlıdır:
- Ölü zaman gereksinimlerini azaltır,
- Diyot geri kazanımından kaynaklanan kayıpları ve gürültüleri en aza indirir,
- Geliştirilmiş verimlilikle daha yüksek anahtarlama frekansları sağlar.
3. Sic-Mosfets uygulamaları
SIC-MOSFET modülleri, orta ila yüksek güçlü enerji sistemlerinde önemli avantajlar göstermektedir:
- Fotovoltaik (PV) invertörler,
- Rüzgar enerjisi dönüştürücüler,
- Elektrikli Araçlar (EV'ler),
- Demiryolu Çekiş Sistemleri.
Yüksek voltaj, yüksek frekanslı ve yüksek verimli özellikleri sayesinde SIC cihazları, geleneksel silikon cihazların performans darboğazlarına ulaştığı EV güç aktarma organı tasarımında atılımlar sağlar.
Önemli örnekler şunları içerir:
- Hibrid elektrikli araçlar (HEV'ler) ve SIC-MOSFET modülleri kullanan pil elektrikli araçlar (EV'ler) için birlikte güç kontrol üniteleri (PCUS) geliştiren Denso ve Toyota. Bu sistemler hacimde 5 kat azalma sağladı.
- Minyatürleştirme ve sistem entegrasyonu sağlayan, tam entegre motor ve invertörlü SIC-MOSFET tabanlı bir EV motor tahrik sistemi geliştiren Mitsubishi Electric.
Projeksiyonlara göre, SIC-MOSFET modüllerinin, 2018-2020 yılları arasında küresel olarak elektrikli araçlarda yaygın olarak benimsenmesi bekleniyordu, bu da teknoloji olgunlaştıkça ve maliyetler azaldıkça büyümeye devam eden bir eğilim.
Ⅳ. Silikon Karbür Schottky Diyotları (SIC SBD)
1. Cihaz Yapısı
Silikon karbür Schottky diyotları, ters sızıntı akımını etkili bir şekilde azaltan ve yüksek voltaj bloke etme kapasitesini geliştiren bir kavşak bariyeri Schottky (JBS) yapısı benimser. Bu yapı, düşük ileri voltaj düşüşü ve yüksek anahtarlama hızının avantajlarını birleştirir.
2. Sic Schottky diyotlarının avantajları
Tek kutuplu cihazlar olarak, SIC Schottky diyotları, geleneksel silikon hızlı geri kazanım diyotlarına (SI FRD'ler) kıyasla üstün ters kurtarma özellikleri sunar. İleri iletimden ters engellemeye geçerken, SIC diyotları sergiler:
- Sıfıra yakın geri kazanım akımı: Ters iyileşme süreleri tipik olarak 20ns'den azdır; Örneğin, 600V/10A sic SBD 10N'lerin altında ulaşabilir.
- Yüksek anahtarlama frekansı kapasitesi: Geliştirilmiş verimlilikle önemli ölçüde daha yüksek frekanslarda çalışmayı mümkün kılar.
- Pozitif sıcaklık katsayısı: Direnç sıcaklık ile artar, bu da cihazların paralel çalışma ve sistem güvenliğini ve güvenilirliğini artırma için daha uygun hale getirir.
- Sıcaklıklar arasında kararlı anahtarlama performansı: Anahtarlama özellikleri termal stres altında tutarlı kalır.
- Minimal anahtarlama kayıpları: Yüksek verimli uygulamalar için ideal.
3. Uygulamalar
SIC Schottky diyotları, orta ila yüksek güçlü uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır, örneğin:
- Eşleştirme Güç Kaynakları (SMP'ler)
- Güç Faktörü Düzeltme (PFC) devreleri
- Kesintisiz güç kaynakları (UPS)
- Fotovoltaik invertörler ve yenilenebilir enerji sistemleri
PFC devrelerinde geleneksel SI FRD'lerin SIC SBD'leri ile değiştirilmesi, verimliliği korurken 300kHz üzerindeki frekanslarda çalışmaya izin verir. Buna karşılık, SI FRD'ler 100kHz'in ötesinde önemli bir verimlilik düşüşü yaşar. Daha yüksek frekans çalışması, indüktörler gibi pasif bileşenlerin boyutunu da azaltır ve toplam PCB hacmini%30'un üzerinde daraltır.
Ⅴ. Silikon karbür (sic) nasıl kabul edilir?
Silikon karbür, çığır açan geniş bir bandgap yarı iletken malzemesi ve üçüncü nesil yarı iletkenlerin önde gelen bir temsilcisi olarak kabul edilmektedir. Olağanüstü fiziksel ve elektriksel özellikleri için övülür:
1. Maddi üstünlük
- Geniş bant aralığı (3.09 eV): Silikondan 2,8 kat daha geniş, daha yüksek arıza voltajları sağlar.
- Yüksek parçalanma elektrik alanı (3,2 mV/cm): Silikondan 5,3 kat daha yüksek, çok daha ince sürüklenme katmanlarına izin verir.
- Yüksek termal iletkenlik (4,9 w/cm · k): silikondan 3,3 kat daha yüksek, daha iyi ısı dağılmasını kolaylaştırır.
- Güçlü radyasyon direnci ve yüksek taşıyıcı yoğunluğu: aşırı ortamlar için uygun.
2. Elektrik Performansı
SIC cihazları, silikon muadillerine kıyasla önemli ölçüde gelişmiş performans sunuyor:
- Sürüklenme bölgesi, aynı voltaj derecesi için silikonunkinden daha ince bir sırayla olabilir.
- Doping konsantrasyonları iki büyüklükte daha yüksek olabilir.
- Birim alan başına direnç 100 kat daha düşüktür.
- Isı üretimi önemli ölçüde azalır, bu da daha düşük iletim ve anahtarlama kayıplarına katkıda bulunur.
- Çalışma frekansları tipik olarak silikon cihazlardan 10 kat daha yüksektir.
- SIC cihazları 400 ° C'ye kadar sıcaklıklarda çalışabilir ve kompakt paketlerde yüksek akım ve voltajları kullanabilir.
Son gelişmeler, çok daha düşük direnc ve ısı üretimine sahip SIC tabanlı IGBT'ler ve diğer güç cihazlarının üretilmesini mümkün kıldı. Bu özellikler SIC'yi yeni nesil güç elektroniği için ideal bir malzeme haline getirir.
Ⅵ. Silikon Karbür (SIC) cihazlarının mevcut geliştirme durumu
1. Teknik parametreler
Örneğin, Schottky diyotlarının voltaj değerleri 250V'den 1000V'a yükselirken, çip alanı azalmıştır. Bununla birlikte, mevcut derecelendirme hala sadece birkaç amperdir. Çalışma sıcaklıkları hala teorik maksimum 600 ° C'den uzak olan 180 ° C'ye yükselmiştir. İleri voltaj düşüşü de ideal olandan daha azdır - silikon cihazlarınkiyle uyumludur - 2V'ye kadar yüksek ileri voltaj düşüşleri sergileyen bazı SIC diyotları.
2. Piyasa Fiyatı
SIC cihazları yaklaşık olarak5 ila 6 kat daha pahalıeşdeğer silikon bazlı cihazlardan daha.
Ⅶ. SIC cihazlarının gelişimindeki zorluklar
Çeşitli raporlara dayanarak, büyük zorluklar, genellikle çözülebilen cihaz prensibi veya yapısal tasarımda değil, imalat sürecinde bulunmaktadır. İşte bazı önemli konular:
1. SIC gofretlerinde mikroyapı kusurları
Başlıca bir kusur, çıplak gözle görülebilen mikropiptir. Bu kusurlar kristal büyümesinde tamamen ortadan kaldırılana kadar, yüksek güçlü elektronik cihazlar için SIC'yi kullanmak zordur. Yüksek kaliteli gofretler, mikropip yoğunluğunu 15 cm⁻²'ye düşürürken, endüstriyel uygulamalar mikropip yoğunlukları 0,5 cm⁻²'nin altında 100 mm'nin üzerinde gofret talep etmektedir.
2. epitaksiyal büyüme düşük verimliliği
SIC homoepitaksi tipik olarak 1500 ° C'nin üzerindeki sıcaklıklarda kimyasal buhar birikimi (CVD) yoluyla gerçekleştirilir. Süblimasyon sorunları nedeniyle, sıcaklıklar 1800 ° C'yi aşamaz ve bu da düşük büyüme oranlarına neden olur. Sıvı faz epitaksi daha düşük sıcaklıklara ve daha yüksek büyüme oranlarına izin verirken, verim düşük kalır.
3. Doping süreçlerinde zorluklar
Geleneksel difüzyon katkısı, Sio₂ tabakasının maskeleme kabiliyetini ve SIC'nin stabilitesini tehlikeye atan yüksek difüzyon sıcaklığı nedeniyle SIC için uygun değildir. İyon implantasyonu, özellikle alüminyum kullanılarak P tipi doping için gereklidir.
Bununla birlikte, alüminyum iyonları, yüksek substrat sıcaklıklarında implantasyon gerektiren önemli kafes hasarına ve zayıf aktivasyona neden olur, ardından yüksek sıcaklık tavlama izler. Bu, yüzey ayrışmasına, SI atom süblimasyonuna ve diğer sorunlara yol açabilir. Dopant seçimi, tavlama sıcaklıkları ve proses parametrelerinin optimizasyonu hala devam etmektedir.
4. Ohmik kontakların oluşturulmasında zorluk
10⁻⁵ Ω · cm²'nin altındaki kontak dirençli ohmik kontaklar oluşturmak kritiktir. Ni ve Al tipik olarak kullanılırken, 100 ° C'nin üzerinde zayıf termal stabiliteden muzdariptirler. Al/Ni/W/au gibi kompozit elektrotlar, 100 saat boyunca 600 ° C'ye kadar termal stabiliteyi iyileştirebilir, ancak temas direnci yüksek kalır (~ 10⁻³ Ω · cm²), bu da güvenilir ohmik kontakların elde edilmesini zorlaştırır.
5. Yardımcı malzemelerin ısı direnci
SIC çipleri 600 ° C'de çalışabilse de, elektrotlar, lehim, paketler ve yalıtım gibi destekleyici malzemeler genellikle bu tür yüksek sıcaklıklara dayanamaz ve genel sistem performansını sınırlar.
Not: Bunlar yeni seçilmiş örneklerdir. Hendek dağlama, kenar sonlandırma pasivasyonu ve SIC MOSFET'lerde kapı oksit arayüzünün güvenilirliği gibi diğer birçok imalat zorluğu hala ideal çözümler yoktur. Endüstri, bu konuların birçoğunda henüz bir fikir birliğine ulaşmamış ve SIC güç cihazlarının hızlı gelişimini önemli ölçüde engellemiştir.
Ⅷ. SIC cihazları neden henüz yaygın olarak benimsenmedi?
SIC cihazlarının avantajları 1960'ların başlarında tanındı. Bununla birlikte, özellikle üretimde çok sayıda teknik zorluk nedeniyle yaygın olarak benimsenmesi ertelenmiştir. Bugün bile, SIC'nin birincil endüstriyel uygulaması aşındırıcı (Carborundum) olarak kalıyor.
SIC kontrol edilebilir basınç altında eriymez, ancak yaklaşık 2500 ° C'de süblimleşir, yani toplu kristal büyümesi, silikon büyümesinden çok daha karmaşık bir işlem olan buhar fazından başlamalıdır (SI ~ 1400 ° C'de erir). Ticari başarının önündeki en büyük engellerden biri, güç yarı iletken cihazları için uygun SIC substratlarının olmamasıdır.
Silikon için, tek kristalli substratlar (gofret) kolayca mevcuttur ve büyük ölçekli üretimin temelidir. 1970'lerin sonlarında büyük alanlı substratları (modifiye edilmiş LELLY yöntemi) yetiştirmek için bir yöntem geliştirilmiş olsa da, bu substratlar mikropipe kusurlarından muzdaripti.
Yüksek voltajlı bir PN kavşağına nüfuz eden tek bir mikropip, engelleme kapasitesini yok edebilir. Son üç yılda, mikropip yoğunluğu mm² başına on binlerden mm²'ye düştü. Sonuç olarak, cihaz boyutları sadece birkaç mm² ile sınırlıdır ve sadece birkaç amperden oluşan maksimum nominal akımlardır.
SIC güç cihazları ticari olarak uygulanabilir hale gelmeden önce substrat kalitesinde daha fazla iyileştirme esastır.
Ⅸ. SIC gofret ve mikropip yoğunluğunda ilerleme
Son gelişmeler, optoelektronik cihazlar için SIC'nin kabul edilebilir kaliteye ulaştığını, üretim verimi ve güvenilirliğin artık malzeme kusurları tarafından engellenmediğini göstermektedir. MOSFET'ler ve Schottky diyotları gibi yüksek frekanslı tek kutuplu cihazlar için, mikropip yoğunluğu çoğunlukla kontrol altındadır, ancak hala verimi biraz etkiler.
Yüksek voltajlı, yüksek güçlü cihazlar için SIC malzemeleri, kusur yoğunluğunu daha da azaltmak için hala iki yıllık bir gelişmeye ihtiyaç duyar. Mevcut zorluklara rağmen, SIC'nin 21. yüzyıl için en umut verici yarı iletken malzemelerden biri olduğuna şüphe yoktur.
Ⅹ. İlgili Ürünler
12 inç sic gofret 300mm silikon karbür gofret iletken kukla not N tipi araştırma sınıfı