دستگاه های SiC در تقاطع: پیشرفت سریع در میان چالش های فنی در حال انجام در صنعت نیمه هادی نسل بعدی

ⅰ کاربید سیلیکون (SIC)

با توجه به خاصیت شیمیایی پایدار ، هدایت حرارتی بالا ، ضریب کم انبساط حرارتی و مقاومت در برابر سایش عالی ، کاربید سیلیکون (SIC) دارای کاربردهایی فراتر از استفاده سنتی خود به عنوان ساینده است. به عنوان مثال ، پودر SIC را می توان در سطوح داخلی پروانه های توربین یا آستر سیلندر از طریق فرآیندهای ویژه برای تقویت مقاومت در برابر سایش و افزایش عمر خدمات 1 تا 2 بار اعمال کرد. مواد نسوز درجه بالا ساخته شده از SIC مقاومت در برابر شوک حرارتی عالی ، کاهش حجم ، وزن سبک تر و استحکام مکانیکی بالا را نشان می دهد و منجر به مزایای قابل توجهی در صرفه جویی در انرژی می شود.

 

کاربید سیلیکون درجه پایین (حاوی تقریباً 85 ٪ SIC) به عنوان یک اکسید کننده عالی در ساخت فولاد ، تسریع در روند ذوب ، تسهیل کنترل ترکیب شیمیایی و بهبود کیفیت کلی فولاد عمل می کند. علاوه بر این ، SIC به طور گسترده ای در ساخت عناصر گرمایش کاربید سیلیکون (میله های SIC) استفاده می شود.

 

کاربید سیلیکون یک ماده بسیار سخت است ، با سختی Mohs 9.5 - ثانیه فقط به الماس (10). دارای هدایت حرارتی عالی است و یک نیمه هادی با مقاومت اکسیداسیون برجسته در دمای بالا است.

 

 

---

 

ⅱ مزایای دستگاه های کاربید سیلیکون

کاربید سیلیکون (SIC) در حال حاضر بالغ ترین ماده نیمه هادی باند پهن (WBG) در حال توسعه است. کشورها در سراسر جهان تأکید زیادی بر تحقیقات SIC دارند و منابع قابل توجهی را برای ارتقاء پیشرفت خود سرمایه گذاری کرده اند.

 

ایالات متحده ، اروپا ، ژاپن و دیگران استراتژی های توسعه سطح ملی را برای SIC تأسیس کرده اند. بازیگران اصلی صنعت الکترونیک جهانی نیز سرمایه گذاری زیادی در توسعه دستگاه های نیمه هادی SIC انجام داده اند.

 

در مقایسه با دستگاه های معمولی مبتنی بر سیلیکون ، مؤلفه های مبتنی بر SIC مزایای زیر را ارائه می دهند:

 

1. قابلیت ولتاژ بالا

دستگاه های کاربید سیلیکون در مقابل ولتاژ تا 10 برابر بیشتر از دستگاه های سیلیکون معادل مقاومت می کنند. به عنوان مثال ، دیودهای SIC Schottky می توانند از ولتاژهای شکست حداکثر 2400 V. ترانزیستورهای اثر میدانی مبتنی بر SIC (FETS) پشتیبانی کنند و ضمن حفظ مقاومت در حالت قابل کنترل ، می توانند در ده ها کیلوولت کار کنند.

 

2. عملکرد با فرکانس بالا

(جزئیات خاص در متن اصلی ارائه نشده است ، اما در صورت لزوم قابل تکمیل است.)

 

3.

با نزدیک شدن به دستگاه های SI معمولی که به محدودیت های عملکرد نظری خود نزدیک می شوند ، دستگاه های قدرت SIC به دلیل ولتاژ با شکست زیاد ، ضررهای کم سوئیچینگ و راندمان برتر به عنوان کاندیداهای ایده آل دیده می شوند.

 

با این حال ، اتخاذ گسترده دستگاه های قدرت SIC به تعادل بین عملکرد و هزینه و همچنین توانایی پاسخگویی به خواسته های بالای فرآیندهای تولید پیشرفته بستگی دارد.

 

 

در حال حاضر ، دستگاه های SIC کم مصرف از تحقیقات آزمایشگاهی به تولید تجاری منتقل شده اند. با این حال ، ویفرهای SIC نسبتاً گران هستند و در مقایسه با مواد نیمه هادی سنتی از چگالی نقص بالاتر رنج می برند.

 

---

 

ⅲ بیشترین تماشای دستگاه های SIC MOS

1. sic-mosfet

SIC-MOSFET (ترانزیستور-کاربید فلزی اکسید-اکسید-مأموریت-اثر) در حال حاضر در حال حاضر با شدت ترین دستگاه الکترونیکی برق در سیستم مواد SIC مورد بررسی قرار گرفته است. پیشرفت های قابل توجه توسط شرکت های پیشرو مانند کری (ایالات متحده آمریکا) و ROHM (ژاپن) انجام شده است.

 

در یک ساختار معمولی SIC-MOSFET ، هر دو منطقه منبع N+ و چاه P با استفاده از کاشت یون تشکیل می شوند و به دنبال آن بازپخت در دماهای بالا (1700 درجه سانتیگراد) برای فعال کردن دوپانت ها. یکی از فرآیندهای مهم در ساخت SIC-MOSFET تشکیل لایه اکسید گیت است. با توجه به اینکه کاربید سیلیکون از هر دو اتم Si و C تشکیل شده است ، رشد دی الکتریک دروازه نیاز به تکنیک های تخصصی رشد اکسید دارد.

 

ساختار سنگر در مقابل ساختار مسطح

معماری SIC-MOSFET از نوع سنگر مزایای عملکرد مواد SIC را نسبت به طرح های سنتی مسطح به حداکثر می رساند. این ساختار امکان چگالی جریان بالاتر ، مقاومت پایین تر و توزیع میدان الکتریکی بهتر را فراهم می کند.

 

 

 

---

5. مزایای sic-mosfets

IGBT های سیلیکون معمولی به طور معمول زیر 20 کیلوهرتز عمل می کنند. با توجه به محدودیت های ذاتی مواد ، عملکرد با ولتاژ بالا و با فرکانس بالا با دستگاه های مبتنی بر سیلیکون دشوار است.

 

در مقابل ، MOSFETS SIC برای طیف گسترده ای از کاربردهای ولتاژ-از 600 ولت تا بیش از 10 کیلو ولت-مناسب است و ویژگی های سوئیچینگ عالی را به عنوان دستگاه های یک قطبی نشان می دهد.

در مقایسه با IGBTS Silicon ، Sic-Mosfets ارائه می دهد:

• جریان دم صفر هنگام تعویض ،
• ضررهای سوئیچی پایین ،
• فرکانس عملیاتی به طور قابل توجهی بالاتر.

به عنوان مثال ، یک ماژول 20 کیلوهرتز SIC-MOSFET می تواند نیمی از از دست دادن قدرت ماژول IGBT 3 کیلو هرتز را نشان دهد. یک ماژول SIC 50 A به طور موثری می تواند یک ماژول 150 A SI را جایگزین کند و بهره وری و مزایای عملکرد با فرکانس بالا را برجسته می کند.

 

علاوه بر این ، دیود بدن در SIC-MOSFETS دارای ویژگی های بازیابی معکوس فوق العاده سریع است که شامل:

• زمان بهبودی بسیار کوتاه معکوس (TRR) ،
• بار بازیابی معکوس بسیار کم (QRR).

به عنوان مثال ، در همان جریان و ولتاژ دارای امتیاز (به عنوان مثال ، 900 ولت) ، QRR دیود بدن یک MOSFET تنها 5 ٪ از MOSFET مبتنی بر سیلیکون است. این امر به ویژه برای مدارهای نوع پل (مانند مبدل های رزونانس LLC که در بالای رزونانس کار می کنند) مفید است ، همانطور که:

• نیازهای مرده را کاهش می دهد ،
• تلفات و سر و صدای بازیابی دیود را به حداقل می رساند ،
• فرکانس های سوئیچینگ بالاتر را با بهره وری بهبود یافته امکان پذیر می کند.

---

3. برنامه های کاربردی SIC-MOSFETS

ماژول های SIC-MOSFET مزایای قابل توجهی را در سیستم های انرژی متوسط ​​و با قدرت بالا نشان می دهد ، از جمله:

• اینورترهای فتوولتائیک (PV) ،
• مبدل های انرژی باد ،
• وسایل نقلیه برقی (EVS) ،
• سیستم های کشش راه آهن.

به لطف ویژگی های با ولتاژ بالا ، با فرکانس بالا و با راندمان بالا ، دستگاه های SIC در طراحی EV پیشرانه ، پیشرفت هایی را ایجاد می کنند ، جایی که دستگاه های سنتی سیلیکون به تنگناهای عملکردی رسیده اند.

 

مثالهای برجسته شامل موارد زیر است:

• Denso و Toyota ، که به طور مشترک واحدهای کنترل برق (PCU) را برای وسایل نقلیه الکتریکی ترکیبی (HEV) و وسایل نقلیه برقی باتری (EVS) با استفاده از ماژول های SIC-MOSFET توسعه دادند. این سیستم ها به کاهش 5 برابر حجم دست یافتند.
• Mitsubishi Electric ، که یک سیستم موتور موتور EV مبتنی بر SIC-MOSFET را با موتور و اینورتر کاملاً یکپارچه توسعه داده و به مینیاتوریزاسیون و ادغام سیستم رسیده است.

با توجه به پیش بینی ها ، انتظار می رود ماژول های SIC-MOSFET شاهد پذیرش گسترده ای در وسایل نقلیه برقی در سطح جهان بین سالهای 2018 و 2020 باشد ، روندی که با بالغ شدن فناوری و کاهش هزینه ها ، رشد خود را ادامه می دهد.

---

 

ⅳ دیودهای Silicon Carbide Schottky (SIC SBD)

1. ساختار دستگاه

دیودهای سیلیکون کاربید شوتکی یک ساختار سد محوطه (JBS) مانع اتصال را اتخاذ می کنند ، که به طور موثری جریان نشت معکوس را کاهش می دهد و توانایی مسدود کردن ولتاژ بالا را بهبود می بخشد. این ساختار مزایای افت ولتاژ به جلو و سرعت سوئیچینگ زیاد را ترکیب می کند.

ترتیب. مزایای دیودهای Sic Schottky

به عنوان دستگاه های تک قطبی ، دیودهای Sic Schottky ویژگی های بازیابی معکوس برتر را در مقایسه با دیودهای سنتی بازیابی سیلیکون سنتی (SI FRDS) ارائه می دهند. هنگام تعویض از هدایت رو به جلو به مسدود کردن معکوس ، دیودهای SIC نمایشگاه:

• جریان بازیابی معکوس نزدیک صفر: زمان بازیابی معکوس به طور معمول کمتر از 20N است. به عنوان مثال ، یک SBD 600V/10A SIC می تواند زیر 10N باشد.
• قابلیت فرکانس سوئیچینگ بالا: عملکرد را در فرکانس های قابل توجهی بالاتر با راندمان بهبود یافته امکان پذیر می کند.
• ضریب دمای مثبت: مقاومت با دما افزایش می یابد و باعث می شود دستگاه ها برای عملکرد موازی و افزایش ایمنی و قابلیت اطمینان سیستم مناسب تر شوند.
• عملکرد سوئیچینگ پایدار در دما: خصوصیات سوئیچینگ تحت استرس حرارتی سازگار است.
• ضررهای سوئیچی حداقل: ایده آل برای برنامه های با راندمان بالا.

3. برنامه ها

دیودهای Sic Schottky به طور گسترده ای در برنامه های با قدرت متوسط ​​و پر استفاده می شوند ، مانند:

• منبع تغذیه سوئیچینگ (SMP)
• مدارهای تصحیح ضریب توان (PFC)
• منبع تغذیه غیرقانونی (UPS)
• اینورترهای فتوولتائیک و سیستم های انرژی تجدید پذیر

جایگزینی SI SI سنتی با SBD های SIC در مدارهای PFC اجازه می دهد تا ضمن حفظ کارایی ، در فرکانس های بیش از 300kHz کار کند. در مقابل ، Si FRD ها افت قابل توجهی را فراتر از 100kHz تجربه می کنند. عملکرد فرکانس بالاتر همچنین اندازه اجزای منفعل مانند سلف را کاهش می دهد و حجم کلی PCB را بیش از 30 ٪ کاهش می دهد.

---

 

ⅴ چگونه کاربید سیلیکون (SIC) در نظر گرفته می شود؟

کاربید سیلیکون به طور گسترده ای به عنوان یک ماده نیمه هادی باند گسترده و نماینده پیشرو نسل سوم نیمه هادی ها شناخته می شود. این مورد به دلیل خاصیت فیزیکی و الکتریکی برجسته آن مورد ستایش قرار می گیرد:

1. برتری مواد

• Bandgap گسترده (3.09 EV): 2.8 برابر گسترده تر از سیلیکون ، ولتاژهای شکست بالاتر را فراهم می کند.
• میدان الکتریکی با شکست بالا (3.2 میلی ولت بر سانتی متر): 5.3 برابر بیشتر از سیلیکون ، اجازه می دهد لایه های رانش بسیار نازک تر.
• هدایت حرارتی بالا (4.9 W/cm · K): 3.3 برابر بیشتر از سیلیکون ، تسهیل اتلاف بهتر گرما.
• مقاومت شدید تابش و چگالی حامل بالا: مناسب برای محیط های شدید.

2. عملکرد الکتریکی

دستگاه های SIC نسبت به همتایان سیلیکون عملکرد به طرز چشمگیری بهبود یافته ارائه می دهند:

 

• منطقه رانش می تواند مرتبه ای از قدر نازک تر از سیلیکون برای همان رتبه ولتاژ باشد.
• غلظت دوپینگ می تواند تا دو مرتبه بزرگتر باشد.
• مقاومت در برابر هر واحد تا 100 برابر کمتر است.
• تولید گرما به طور قابل توجهی کاهش می یابد و باعث کاهش ضرر و زیان کمتری می شود.
• فرکانس های عملیاتی معمولاً بیش از 10 برابر بیشتر از دستگاه های سیلیکون است.
• دستگاه های SIC می توانند در دمای حداکثر 400 درجه سانتیگراد کار کنند و قادر به استفاده از جریانهای بالا و ولتاژ در بسته های جمع و جور هستند.

 

پیشرفت های اخیر باعث شده است که IGBT های مبتنی بر SIC و سایر دستگاه های برق با مقاومت بسیار کمتری و تولید گرما تولید شود. این خصوصیات SIC را به یک ماده ایده آل برای الکترونیک توان نسل بعدی تبدیل می کند.

 

 

---

 

ⅵ وضعیت توسعه فعلی دستگاه های کاربید سیلیکون (SIC)

1. پارامترهای فنی

به عنوان مثال ، رتبه بندی ولتاژ دیودهای شوتکی از 250 ولت به بیش از 1000 ولت افزایش یافته است ، در حالی که منطقه تراشه کاهش یافته است. با این حال ، رتبه فعلی هنوز تنها چند ده آمپر است. دمای عملیاتی به 180 درجه سانتیگراد بهبود یافته است ، که هنوز از حداکثر نظری 600 درجه سانتیگراد فاصله دارد. افت ولتاژ رو به جلو نیز کمتر از ایده آل است - قابل مقایسه با دستگاه های سیلیکون - با برخی از دیودهای SIC که دارای قطرات ولتاژ رو به جلو هستند به اندازه 2 ولت.

2. قیمت بازار

دستگاه های SIC تقریباً هستند5 تا 6 برابر گرانتراز دستگاه های مبتنی بر سیلیکون معادل.

---

 

ⅶ چالش در توسعه دستگاه های SIC

بر اساس گزارش های مختلف ، چالش های اصلی نه در اصل دستگاه یا طراحی ساختاری ، که به طور کلی قابل حل است ، بلکه در فرآیند ساختگی نهفته است. در اینجا برخی از موضوعات کلیدی آورده شده است:

1. نقص ریزساختاری در ویفرهای SIC

نقص عمده ریزپرداز است که حتی برای چشم غیر مسلح قابل مشاهده است. تا زمانی که این نقص ها به طور کامل در رشد کریستال از بین نرود ، استفاده از SIC برای دستگاه های الکترونیکی با قدرت بالا دشوار است. در حالی که ویفرهای با کیفیت بالا چگالی ریزپردازی را به کمتر از 15 سانتی متر مربع کاهش داده اند ، برنامه های صنعتی ویفر را بیش از 100 میلی متر قطر با تراکم ریزپردازی زیر 0.5 سانتی متر تشکیل می دهند.

2. راندمان پایین رشد اپیتاکسیال

Homoepitaxy SIC به طور معمول از طریق رسوب بخار شیمیایی (CVD) در دمای بالاتر از 1500 درجه سانتیگراد انجام می شود. با توجه به مشکلات تصعید ، درجه حرارت نمی تواند از 1800 درجه سانتیگراد تجاوز کند و در نتیجه نرخ رشد پایین باشد. در حالی که اپیتاکسی فاز مایع امکان پایین آمدن درجه حرارت و نرخ رشد بالاتر را فراهم می کند ، عملکرد کم است.

3. چالش در فرآیندهای دوپینگ

دوپینگ انتشار معمولی به دلیل دمای انتشار زیاد ، برای SIC مناسب نیست ، که توانایی ماسک زدن به لایه Sio₂ و پایداری خود SIC را به خطر می اندازد. کاشت یون مورد نیاز است ، به ویژه برای دوپینگ نوع P با استفاده از آلومینیوم.

 

با این حال ، یونهای آلومینیومی باعث آسیب قابل توجهی در شبکه و فعال سازی ضعیف می شوند ، که نیاز به کاشت در دمای بستر بالا و به دنبال آن بازپرداخت دمای بالا دارند. این می تواند منجر به تجزیه سطح ، تصویب اتم SI و سایر موارد شود. بهینه سازی انتخاب دوپانت ، دمای بازپرداخت و پارامترهای فرآیند همچنان ادامه دارد.

4. مشکل در ایجاد مخاطبین اهمی

ایجاد مخاطبین اهمی با مقاومت تماس زیر 10 Ω · cm² بسیار مهم است. در حالی که معمولاً از Ni و Al استفاده می شود ، از ثبات حرارتی ضعیف بالاتر از 100 درجه سانتیگراد رنج می برند. الکترودهای کامپوزیت مانند Al/Ni/W/Au می توانند پایداری حرارتی را تا 600 درجه سانتیگراد به مدت 100 ساعت بهبود بخشند ، اما مقاومت تماس زیاد است (10 ~ ω ω · cm²) ، و دستیابی به تماس های اهمی قابل اعتماد را دشوار می کند.

5. مقاومت حرارتی مواد کمکی

اگرچه تراشه های SIC می توانند در دمای 600 درجه سانتیگراد کار کنند ، اما موادی مانند الکترودها ، لحیم ، بسته ها و عایق ها اغلب نمی توانند در برابر چنین دماهای بالا مقاومت کنند و عملکرد کلی سیستم را محدود می کنند.

 

توجه: اینها فقط نمونه های انتخاب شده هستند. بسیاری از چالش های ساختگی دیگر - از جمله اچ کردن سنگر ، انفعال خاتمه لبه و قابلیت اطمینان رابط اکسید گیت در موتست های SIC - هنوز فاقد راه حل های ایده آل هستند. این صنعت هنوز در مورد بسیاری از این موضوعات به اجماع نرسیده است ، که به طور قابل توجهی مانع توسعه سریع دستگاه های قدرت SIC می شود.

 

 

---

 

ⅷ چرا دستگاه های SIC هنوز به طور گسترده اتخاذ نشده اند

مزایای دستگاه های SIC در اوایل دهه 1960 به رسمیت شناخته شد. با این حال ، اتخاذ گسترده به دلیل چالش های فنی متعدد ، به ویژه در تولید ، به تأخیر افتاده است. حتی امروزه ، کاربرد اصلی صنعتی SIC به عنوان یک ساینده (Carborundum) باقی مانده است.

 

SIC تحت فشار قابل کنترل ذوب نمی شود اما در حدود 2500 درجه سانتیگراد تصعید می کند ، به این معنی که رشد کریستال فله باید از فاز بخار شروع شود ، یک فرآیند بسیار پیچیده تر از رشد سیلیکون (SI در دمای 1400 درجه سانتیگراد ذوب می شود). یکی از بزرگترین موانع موفقیت تجاری عدم وجود بسترهای مناسب SIC برای دستگاه های نیمه هادی قدرت است.

 

برای سیلیکون ، بسترهای تک کریستالی (ویفر) به راحتی در دسترس هستند و پایه و اساس تولید در مقیاس بزرگ هستند. اگرچه روشی برای رشد بسترهای SIC در منطقه بزرگ (روش اصلاح شده Lely) در اواخر دهه 1970 توسعه یافته است ، اما این بسترها از نقص ریزپرداز رنج می برند.

 

یک ریزپرداز منفرد که به یک اتصال PN با ولتاژ بالا نفوذ می کند می تواند توانایی مسدود کننده آن را از بین ببرد. در سه سال گذشته ، تراکم ریزپرداز از ده ها هزار در هر میلی متر مربع به ده ها در میلی متر مربع کاهش یافته است. در نتیجه ، اندازه دستگاه فقط به چند میلی متر مربع محدود شده است ، با حداکثر جریانهای دارای امتیاز فقط چند آمپر.

 

پیشرفت های بیشتر در کیفیت بستر قبل از اینکه دستگاه های قدرت SIC بتوانند از نظر تجاری قابل دوام باشند ، ضروری است.

 

---

ⅸ پیشرفت در ویفر SIC و تراکم ریزپردازی

پیشرفت های اخیر نشان می دهد که SIC برای دستگاه های نوری به کیفیت قابل قبول رسیده است ، با عملکرد تولید و قابلیت اطمینان دیگر مانع نقص مواد نمی شود. برای دستگاه های تک قطبی با فرکانس بالا مانند MOSFETS و DIODES SCHOTTKY ، چگالی میکروپیپ عمدتاً تحت کنترل است ، اگرچه هنوز هم کمی بر عملکرد تأثیر می گذارد.

 

برای دستگاه های با ولتاژ بالا ، با قدرت بالا ، مواد SIC هنوز به دو سال دیگر نیاز به توسعه نیاز دارند تا بیشتر چگالی نقص را کاهش دهند. با وجود چالش های فعلی ، شکی نیست که SIC یکی از امیدوار کننده ترین مواد نیمه هادی برای قرن بیست و یکم است.

 

 

ⅹ محصولات مرتبط

 

12 اینچ ویفر SIC 300 میلی متر سیلیکون کاربید ویفر رسانا درجه ساختگی درجه N نوع تحقیق