SiC-Geräte an einem Scheideweg: Schnelle Fortschritte unter anhaltenden technischen Herausforderungen in der Halbleiterindustrie der nächsten Generation
May 28, 2025
Ⅰ. Siliziumkarbid (sic)
Aufgrund seiner stabilen chemischen Eigenschaften, einer hohen thermischen Leitfähigkeit, einem niedrigen thermischen Expansionskoeffizienten und einer hervorragenden Verschleißfestigkeit hat Siliciumcarbid (SIC) Anwendungen, die weit über die traditionelle Verwendung als Schleifmittel hinausgehen. Zum Beispiel kann SIC -Pulver über spezielle Prozesse auf die inneren Oberflächen von Turbinen -Impernern oder Zylinderlinern angewendet werden, um den Verschleißfestigkeit zu verbessern und die Lebensdauer um 1 bis 2 Mal zu verlängern. Hochwertige refraktäre Materialien aus SIC weisen eine hervorragende thermische Stoßschockfestigkeit, ein reduziertes Volumen, ein leichteres Gewicht und eine hohe mechanische Festigkeit auf, was zu erheblichen Energiesparvorteilen führt.
Niedriger Siliziumkarbid (mit ungefähr 85% sic) dient als ausgezeichneter Desoxidisator bei der Stahlherstellung, beschleunigt den Schmelzprozess, erleichtert die Kontrolle der chemischen Zusammensetzung und die Verbesserung der Gesamtstahlqualität. Darüber hinaus wird SIC bei der Herstellung von Siliziumkarbidheizelementen (SiC -Stäbe) häufig eingesetzt.
Siliziumkarbid ist ein extrem hartes Material mit einer MOHS -Härte von 9,5 - nur nach Diamant (10). Es besitzt eine hervorragende thermische Leitfähigkeit und ist ein Halbleiter mit hervorragender Oxidationsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen.
Ⅱ. Vorteile von Silizium -Carbid -Geräten
Siliziumcarbid (SIC) ist derzeit das ausgereifteste Halbleitermaterial für Breitbandgap (WBG). Länder auf der ganzen Welt legen großen Wert auf die SIC -Forschung und haben erhebliche Ressourcen investiert, um ihren Fortschritt zu fördern.
Die Vereinigten Staaten, Europa, Japan und andere haben Entwicklungsstrategien auf nationaler Ebene für SIC eingerichtet. Die wichtigsten Akteure in der globalen Elektronikbranche haben auch stark in die Entwicklung von SIC -Halbleitergeräten investiert.
Im Vergleich zu herkömmlichen Geräten auf Siliziumbasis bieten SIC-basierte Komponenten die folgenden Vorteile:
1. Hochspannungsfähigkeit
Siliziumcarbidgeräte halten Spannungen bis zu 10 -mal höher als äquivalente Siliziumgeräte. Beispielsweise können SIC Schottky-Dioden Breakdown-Spannungen von bis zu 2400 V. SIC-basierten Feldeffekttransistoren (FETs) unterstützen, die in zehn Kilovolts operieren können und gleichzeitig einen überschaubaren Widerstand auf dem Zustand aufrechterhalten.
2. Hochfrequenzleistung
(Spezifische Details, die nicht im Originaltext angegeben sind, aber bei Bedarf ergänzt werden können.)
3.. Hochtemperaturbetrieb
Mit herkömmlichen SI -Geräten, die sich ihren theoretischen Leistungsgrenzen nähern, werden SIC -Leistungsgeräte aufgrund ihrer hohen Abbruchspannung, niedrigen Schaltverluste und überlegener Effizienz als ideale Kandidaten angesehen.
Die weit verbreitete Einführung von SIC -Leistungsgeräten hängt jedoch vom Gleichgewicht zwischen Leistung und Kosten sowie von der Fähigkeit ab, die hohen Anforderungen fortschrittlicher Herstellungsprozesse zu erfüllen.
Gegenwärtig sind SIC-Geräte mit geringer Leistung von der Laborforschung zur kommerziellen Produktion übergegangen. SIC -Wafer bleiben jedoch relativ teuer und leiden im Vergleich zu herkömmlichen Halbleitermaterialien unter einer höheren Defektdichte.
Ⅲ. Die am häufigsten beobachteten SIC MOS -Geräte
1. SIC-MOSFET
Der SIC-MOSFET (Siliciumcarbid-Metalloxid-Sämiener-Feld-Effekt-Transistor) ist derzeit das intensiver erforschte elektronische Gerät im SIC-Materialsystem. Bemerkenswerte Durchbrüche wurden von führenden Unternehmen wie Cree (USA) und Rohm (Japan) erzielt.
In einer typischen SIC-MOSFET-Struktur werden sowohl die N+ -Ergrenze als auch die P-Well unter Verwendung einer Ionenimplantation gebildet, gefolgt von Tempern bei hohen Temperaturen (~ 1700 ° C), um die Dotiermittel zu aktivieren. Eines der kritischen Prozesse bei der Herstellung von SIC-MOSFET ist die Bildung der Gateoxidschicht. Angesichts der Tatsache, dass Siliziumcarbid sowohl aus Si- als auch aus C -Atomen besteht, erfordert das Wachstum von Gate -Dielektrika spezielle Oxidwachstumstechniken.
Grabenstruktur gegen planare Struktur
Die SIC-MOSFET-Architektur vom Graben-Typ maximiert die Leistungsvorteile von SIC-Materialien gegenüber herkömmlichen planaren Designs. Diese Struktur ermöglicht eine höhere Stromdichte, eine geringere On-Resistenz und eine bessere elektrische Feldverteilung.
2. Vorteile von sic-mosfets
Herkömmliche Silizium -IGBTs arbeiten typischerweise unter 20 kHz. Aufgrund von intrinsischen materiellen Einschränkungen ist der Hochspannungs- und Hochfrequenzbetrieb mit Geräten auf Siliziumbasis schwer zu erreichen.
Im Gegensatz dazu sind SIC-MOSFETs für eine Vielzahl von Spannungsanwendungen gut geeignet-von 600 V bis über 10 kV-und weisen hervorragende Schalteigenschaften als unipolare Geräte auf.
Im Vergleich zu Silizium-IGBTs bieten SIC-MOSFETS an:
- Null -Schwanzstrom während des Schaltens,
- Niedrigere Schaltverluste,
- Signifikant höhere Betriebsfrequenz.
Beispielsweise kann ein 20-kHz-SIC-MOSFET-Modul den halben Stromverlust eines 3-kHz-Silizium-IGBT-Moduls aufweisen. Ein 50-SIC-Modul kann ein SI-Modul von 150 einem SI-Modul effektiv ersetzen, wodurch die Effizienz- und Hochfrequenzleistungsvorteile hervorgehoben werden.
Darüber hinaus weist die Körperdiode in SIC-MOSFETs ultraschnelle Reverse-Wiederherstellungseigenschaften mit:
- Extrem kurze Rückgewinnungserholungszeit (TRR),
- Sehr geringe Rückgewinnung auf Wiederherstellung (QRR).
Beispielsweise beträgt der qRR der Körperdiode eines SIC-Mosfet beispielsweise bei gleichem Nennstrom und Spannung (z. B. 900 V) nur 5% der eines MOSFET auf Siliziumbasis. Dies ist besonders vorteilhaft für Bridge-Schaltungen (z.
- Reduziert die Anforderungen an die Tote,
- Minimiert Verluste und Rauschen aus der Diodenwiederherstellung,
- Ermöglicht höhere Schaltfrequenzen mit verbesserter Effizienz.
3. Anwendungen von sic-mosfets
SIC-MOSFET-Module zeigen erhebliche Vorteile in mittel- bis hohen Energiesystemen, einschließlich:
- Photovoltaik (PV) Wechselrichter,
- Windkraftumwandler,
- Elektrofahrzeuge (EVs),
- Eisenbahntraktionssysteme.
Dank ihrer Hochspannungs-, Hochfrequenz- und hocheffizienten Attribute ermöglichen SIC-Geräte Durchbrüche im EV-Antriebsstrangdesign, bei denen traditionelle Siliziumgeräte Leistungs Engpässe erreicht haben.
Prominente Beispiele sind:
- Denso und Toyota, die gemeinsam Stromsteuereinheiten (PCUs) für Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEVs) und Batterie-Elektrofahrzeuge (EVS) unter Verwendung von SIC-MOSFET-Modulen entwickelten. Diese Systeme erreichten eine 5 -fach -Verringerung des Volumens.
- Mitsubishi Electric, das ein SIC-MOSFET-basiertes EV-Motorantriebssystem mit vollständig integriertem Motor und Wechselrichter entwickelte und Miniaturisierung und Systemintegration erreicht.
Prognosen zufolge wurde erwartet, dass die SIC-MOSFET-Module zwischen 2018 und 2020 weltweit weltweit in Elektrofahrzeugen eingehen.
Ⅳ. Silizium -Carbid -Schottky -Dioden (sic SBD)
1. Gerätestruktur
Siliziumcarbid-Schottky-Dioden verfolgen eine Schottky (JBS) -Struktur, die den Stromversuchungsstrom effektiv reduziert und die Leistungsfähigkeit der Hochspannungsblockierung verbessert. Diese Struktur kombiniert die Vorteile des niedrigen Vorwärtsspannungsabfalls und der hohen Schaltgeschwindigkeit.
2. Vorteile von Sic Schottky Dioden
Als unipolare Geräte bieten SIC -Schottky -Dioden im Vergleich zu herkömmlichen Silizium -Schnellwiederherstellungsdioden (SI FRDS) überlegene Eigenschaften der Rückgewinnung. Beim Umschalten von Vorwärtsleitung auf umgekehrte Blockierung zeigen SIC -Dioden:
- Umgekehrte Wiederherstellungsstrom in der Nähe von Null: Die Rückgewinnungszeiten der Rückgewinnung sind typischerweise weniger als 20 ns; Beispielsweise kann ein SBD von 600 V/10a SBD unter 10 ns erreichen.
- Hochschaltungsfrequenzfähige Funktionen: Ermöglicht den Betrieb bei signifikant höheren Frequenzen mit verbesserter Effizienz.
- Positiver Temperaturkoeffizient: Der Widerstand nimmt mit der Temperatur zu, wodurch die Geräte für den parallele Betrieb besser geeignet sind und die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Systems verbessert werden.
- Stabile Schaltleistung über die Temperaturen hinweg: Die Schalteigenschaften bleiben unter thermischer Belastung konsistent.
- Minimale Schaltverluste: Ideal für hocheffiziente Anwendungen.
3. Anwendungen
SIC Schottky-Dioden werden in mittleren bis hohen Leistungsanwendungen häufig verwendet, wie z. B.:
- Netzteswechsel (SMPS)
- PFC -Schaltkreise (Leistungsfaktorkorrektur)
- Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (UPS)
- Photovoltaik -Wechselrichter und erneuerbare Energiesysteme
Das Ersetzen herkömmlicher SI -FRDS durch SBDs in PFC -Schaltungen ermöglicht den Betrieb bei Frequenzen über 300 kHz und gleichzeitig die Effizienz. Im Gegensatz dazu verzeichnet SI FRDS einen erheblichen Effizienzabfall über 100 kHz. Ein höherer Frequenzbetrieb reduziert auch die Größe passiver Komponenten wie Induktoren und schrumpft das Gesamt -PCB -Volumen um über 30%.
Ⅴ. Wie wird Siliziumkarbid (sic) betrachtet?
Siliziumcarbid ist weithin als bahnbrechender breiter Bandgap -Halbleitermaterial und ein führender Vertreter der dritten Generation von Halbleitern anerkannt. Es wird für seine hervorragenden physikalischen und elektrischen Eigenschaften gelobt:
1. Material Überlegenheit
- Weites Bandgap (3,09 EV): 2,8 -mal breiter als Silizium, was höhere Breakdown -Spannungen ermöglicht.
- Elektrisches Feld mit hohem Breakdown -Feld (3,2 mV/cm): 5,3 -mal höher als Silizium, was viel dünnere Driftschichten ermöglicht.
- Hohe thermische Leitfähigkeit (4,9 W/cm · k): 3,3 -mal höher als Silizium, was eine bessere Wärmeabteilung erleichtert.
- Starker Strahlenwiderstand und hohe Trägerdichte: Geeignet für extreme Umgebungen.
2. Elektrische Leistung
SIC -Geräte bieten eine dramatisch verbesserte Leistung im Vergleich zu Silizium -Gegenstücken:
- Die Driftregion kann eine Größenordnung dünner sein als die von Silizium für die gleiche Spannung.
- Dopingkonzentrationen können bis zu zwei Größenordnungen höher sein.
- Der Bereich der Einheit pro Bereich ist bis zu 100-mal niedriger.
- Die Wärmeerzeugung ist erheblich reduziert und trägt zu niedrigeren Leitungen und Schaltverlusten bei.
- Die Betriebsfrequenzen sind in der Regel mehr als 10 -mal höher als die von Siliziumgeräten.
- SIC -Geräte können bei Temperaturen bis zu 400 ° C funktionieren und können in kompakten Paketen hohe Ströme und Spannungen umgehen.
Die jüngsten Fortschritte haben es ermöglicht, SIC-basierte IGBTs und andere Leistungsgeräte mit viel geringerem Aufnahmeberzeugnis und Wärmeerzeugung herzustellen. Diese Eigenschaften machen SIC zu einem idealen Material für die Leistungselektronik der nächsten Generation.
Ⅵ. Aktueller Entwicklungsstatus von Silicon Carbid (SIC) -Geräten
1. Technische Parameter
Beispielsweise haben sich die Spannungsbewertungen von Schottky -Dioden von 250 V auf über 1000 V erhöht, während der Chipbereich verringert ist. Die aktuelle Bewertung beträgt jedoch immer noch nur wenige Zehn Ampere. Die Betriebstemperaturen haben sich auf 180 ° C verbessert, was immer noch weit entfernt vom theoretischen Maximum von 600 ° C ist. Der Vorwärtsspannungsabfall ist ebenfalls weniger als ideal - mit dem von Siliziumgeräten vergleichbar - mit einigen SIC -Dioden, die Vorwärtsspannungsabfälle von bis zu 2 V aufweisen.
2. Marktpreis
SiC -Geräte sind ungefähr5 bis 6 -mal teurerals äquivalente Geräte auf Siliziumbasis.
Ⅶ. Herausforderungen bei der Entwicklung von SIC -Geräten
Basierend auf verschiedenen Berichten liegen die größten Herausforderungen nicht im Geräteprinzip oder im strukturellen Design, das im Allgemeinen gelöst werden kann, sondern im Herstellungsprozess. Hier sind einige wichtige Probleme:
1. Mikrostrukturdefekte bei sic Wafers
Ein großer Defekt ist der Mikropipe, der sogar für das bloße Auge sichtbar ist. Bis diese Defekte im Kristallwachstum vollständig beseitigt sind, ist es schwierig, SIC für elektronische Hochleistungsgeräte zu verwenden. Während hochwertige Wafer die Mikropipe-Dichte auf weniger als 15 cm ² reduziert haben, erfordern die industriellen Anwendungen Wafern mit einem Durchmesser von über 100 mm mit Mikropipendichten unter 0,5 cm⁻².
2. Niedrige Effizienz des epitaxialen Wachstums
Die sic homoepitaxy wird typischerweise über chemische Dampfablagerung (CVD) bei Temperaturen über 1500 ° C durchgeführt. Aufgrund von Sublimationsproblemen darf die Temperaturen 1800 ° C nicht überschreiten, was zu niedrigen Wachstumsraten führt. Während die Epitaxie der Flüssigkeitsphasen niedrigere Temperaturen und höhere Wachstumsraten ermöglicht, bleibt die Rendite niedrig.
3. Herausforderungen bei Dopingprozessen
Das herkömmliche Diffusionsdotieren ist aufgrund ihrer hohen Diffusionstemperatur, die die Maskierungsfähigkeit der SiO₂ -Schicht und die Stabilität von SIC selbst beeinträchtigt, nicht für SIC geeignet. Ionenimplantation ist erforderlich, insbesondere für das P-Typ-Doping mit Aluminium.
Aluminiumionen verursachen jedoch eine signifikante Gitterschädigung und eine schlechte Aktivierung, die eine Implantation bei erhöhten Substrattemperaturen erfordern, gefolgt von Hochtemperaturglühen. Dies kann zu einer Oberflächenabzersetzung, der Sublimation von Si Atom und anderen Themen führen. Die Optimierung der Dopanzauswahl, der Temperaturtemperaturen und der Prozessparameter ist noch nicht abgeschlossen.
4. Schwierigkeiten bei der Bildung ohmischer Kontakte
Das Erstellen ohmischer Kontakte mit Kontaktwiderstand unter 10 ° Ω · cm² ist entscheidend. Während NI und AL normalerweise verwendet werden, leiden sie unter einer schlechten thermischen Stabilität über 100 ° C. Verbundelektroden wie Al/Ni/W/Au können die thermische Stabilität bis zu 600 ° C für 100 Stunden verbessern. Der Kontaktwiderstand bleibt jedoch hoch (~ 10⁻³ ω · cm²), wodurch zuverlässige ohmische Kontakte schwer zu erreichen sind.
5. Wärmebeständigkeit von Hilfsmaterialien
Obwohl SIC -Chips bei 600 ° C betrieben werden können, können Stützmaterialien wie Elektroden, Lötmittel, Pakete und Isolierungen häufig so hohe Temperaturen standhalten, was die Gesamtsystemleistung begrenzt.
Hinweis: Dies sind nur ausgewählte Beispiele. Viele andere Herstellungsherausforderungen - wie Grabenätzungen, Passivierung der Kantenabschlüsse und die Zuverlässigkeit der Gate -Oxid -Grenzfläche in sic -MOSFETs - fehlen immer noch ideale Lösungen. Die Branche hat noch keinen Konsens über einige dieser Probleme erzielt und die schnelle Entwicklung von SIC -Stromversorgungsgeräten erheblich behindert.
Ⅷ. Warum SIC -Geräte noch nicht weit verbreitet sind
Die Vorteile von SIC -Geräten wurden bereits in den 1960er Jahren anerkannt. Die weit verbreitete Akzeptanz wurde jedoch aufgrund zahlreicher technischer Herausforderungen, insbesondere im Fertigung, verzögert. Noch heute bleibt die primäre industrielle Anwendung von SIC als Schleifmittel (Carborundum).
SIC schmilzt nicht unter kontrollierbarem Druck, untermauert jedoch bei etwa 2500 ° C, was bedeutet, dass das Wachstum des Schüttungskristalls aus der Dampfphase beginnen muss, ein viel komplexeres Verfahren als Siliziumwachstum (SI schmilzt bei ~ 1400 ° C). Eines der größten Hindernisse für den kommerziellen Erfolg ist der Mangel an geeigneten SIC -Substraten für Power -Halbleitergeräte.
Für Silizium sind Einzelkristallsubstrate (Wafer) leicht verfügbar und die Grundlage für die großflächige Produktion. Obwohl in den späten 1970er Jahren eine Methode zum Anbau großer SIC-Substrate (modifiziertes Lely-Methode) entwickelt wurde, litten diese Substrate unter Mikropipe-Defekten.
Ein einzelnes Mikropipe, das eine Hochspannung PN-Übergang durchdringt, kann seine Blockierfähigkeit zerstören. In den letzten drei Jahren ist die Mikropipe -Dichte von Zehntausenden pro mm² auf Zehn pro mm² gesunken. Infolgedessen waren die Gerätegrößen auf nur wenige mm² beschränkt, wobei nur wenige Ampere mit maximaler Nennströme betroffen sind.
Weitere Verbesserungen der Substratqualität sind wesentlich, bevor SIC -Leistungsgeräte wirtschaftlich rentabel werden können.
Ⅸ. Fortschritte in der SIC -Wafer und der Mikropipe -Dichte
Jüngste Fortschritte zeigen, dass SIC für optoelektronische Geräte eine akzeptable Qualität erreicht hat, wobei die Produktionsrendite und die Zuverlässigkeit nicht mehr durch materielle Defekte behindert wurden. Bei hochfrequenten unipolaren Geräten wie MOSFETs und Schottky-Dioden wird die Mikropipe-Dichte hauptsächlich unter Kontrolle, obwohl sie den Ertrag immer noch geringfügig beeinflusst.
Für Hochspannungsgeräte benötigen SIC-Materialien für Hochspannung noch zwei Jahre Entwicklung, um die Defektdichte weiter zu reduzieren. Trotz der gegenwärtigen Herausforderungen besteht kein Zweifel daran, dass SIC eines der vielversprechendsten Halbleitermaterialien für das 21. Jahrhundert ist.
Ⅹ. Verwandte Produkte
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