Dispositivi SiC a un crocevia: Rapidi progressi in mezzo alle continue sfide tecniche nell'industria dei semiconduttori di nuova generazione
May 28, 2025
Ⅰ. Silicio carburo (sic)
Grazie alle sue proprietà chimiche stabili, all'elevata conduttività termica, al basso coefficiente di espansione termica e all'eccellente resistenza all'usura, il carburo di silicio (SIC) ha applicazioni ben oltre il suo uso tradizionale come abrasivo. Ad esempio, la polvere SIC può essere applicata alle superfici interne delle giranti per turbine o delle fodere del cilindro attraverso processi speciali per migliorare la resistenza all'usura e prolungare la durata di servizio da 1 a 2 volte. I materiali refrattari di alto grado realizzati in SIC mostrano un'eccellente resistenza alle shock termiche, un volume ridotto, un peso più leggero e un'elevata resistenza meccanica, portando a significativi benefici per il risparmio energetico.
Il carburo di silicio di basso grado (contenente circa l'85% di SIC) funge da eccellente desossidante in acciaio, accelerando il processo di fusione, facilitando il controllo della composizione chimica e migliorando la qualità generale dell'acciaio. Inoltre, la SIC è ampiamente utilizzata nella produzione di elementi di riscaldamento in carburo di silicio (aste SIC).
Il carburo di silicio è un materiale estremamente duro, con una durezza MOHS di 9,5, solo a Diamond (10). Possiede un'eccellente conducibilità termica ed è un semiconduttore con eccezionale resistenza all'ossidazione a temperature elevate.
Ⅱ. Vantaggi dei dispositivi in carburo di silicio
Il carburo di silicio (SIC) è attualmente il materiale a semiconduttore a banda larga (WBG) più matura in fase di sviluppo. I paesi di tutto il mondo pongono una grande enfasi sulla ricerca SIC e hanno investito risorse sostanziali per promuoverne il progresso.
Gli Stati Uniti, l'Europa, il Giappone e altri hanno stabilito strategie di sviluppo a livello nazionale per SIC. I principali attori del settore dell'elettronica globale hanno anche investito molto nello sviluppo di dispositivi a semiconduttore SIC.
Rispetto ai dispositivi convenzionali a base di silicio, i componenti a base di SiC offrono i seguenti vantaggi:
1. Capacità ad alta tensione
I dispositivi in carburo di silicio resistono a tensioni fino a 10 volte superiori ai dispositivi di silicio equivalenti. Ad esempio, i diodi SIC Schottky possono supportare tensioni di rottura fino a 2400 Transistor a effetto campo a base di SIC (FET) possono funzionare a decine di kilovolt mantenendo una resistenza gestibile sullo stato.
2. Prestazioni ad alta frequenza
(Dettagli specifici non forniti nel testo originale, ma possono essere integrati se necessario.)
3. Funzionamento ad alta temperatura
Con i dispositivi SI convenzionali che si avvicinano ai loro limiti teorici di prestazione, i dispositivi di alimentazione SIC sono visti come candidati ideali a causa della loro elevata tensione di rottura, basse perdite di commutazione e efficienza superiore.
Tuttavia, l'adozione diffusa dei dispositivi di alimentazione SIC dipende dall'equilibrio tra prestazioni e costi, nonché dalla capacità di soddisfare le elevate esigenze dei processi di produzione avanzati.
Al momento, i dispositivi SIC a bassa potenza sono passati dalla ricerca di laboratorio alla produzione commerciale. Tuttavia, i wafer SIC rimangono relativamente costosi e soffrono di una maggiore densità di difetto rispetto ai tradizionali materiali a semiconduttore.
Ⅲ. I dispositivi MOS SIC più ampiamente guardati
1. Sic-Mosfet
Il Transistor SIC-MOSFET (transistor ad effetto-ossido di ossido-semiconduttore in carburo di silicio) è attualmente il dispositivo elettronico di potenza più intensamente studiato all'interno del sistema di materiale SIC. Notevoli scoperte sono state fatte da aziende leader come Cree (USA) e Rohm (Giappone).
In una tipica struttura SIC-MOSFET, sia la regione della sorgente N+ che il pozzo P si formano usando l'impianto ionico, seguita dalla ricottura ad alte temperature (~ 1700 ° C) per attivare i droganti. Uno dei processi critici nella fabbricazione di SIC-MOSFET è la formazione dello strato di ossido di gate. Dato che il carburo di silicio è costituito da atomi di SI e C, la crescita dei dielettrici di gate richiede tecniche di crescita di ossido specializzate.
Struttura della trincea vs. struttura planari
L'architettura SIC-Mosfet di tipo trincea massimizza i vantaggi delle prestazioni dei materiali SIC rispetto ai tradizionali progetti planari. Questa struttura consente una maggiore densità di corrente, una minore resistenza e una migliore distribuzione del campo elettrico.
2. Vantaggi dei Mosfets
IGB di silicio convenzionali in genere operano al di sotto di 20 kHz. A causa delle limitazioni intrinseche del materiale, il funzionamento ad alta tensione e ad alta frequenza è difficile da raggiungere con dispositivi a base di silicio.
Al contrario, i SIC-Mosfets sono adatti per una vasta gamma di applicazioni di tensione, da 600 V a oltre 10 kV, e mostrano eccellenti caratteristiche di commutazione come dispositivi unipolari.
Rispetto agli IGBT al silicio, SIC-MOSFET offrono:
- Corrente di coda zero durante la commutazione,
- Perdite di commutazione inferiori,
- Frequenza operativa significativamente più alta.
Ad esempio, un modulo SIC-MOSFET da 20 kHz può presentare metà della perdita di potenza di un modulo IGBT in silicio da 3 kHz. Un modulo SIC 50 A può effettivamente sostituire un modulo SI 150, evidenziando l'efficienza e i vantaggi delle prestazioni ad alta frequenza.
Inoltre, il diodo del corpo in SIC-Mosfets ha caratteristiche di recupero inversa ultra-veloce, con:
- Tempo di recupero inverso estremamente breve (TRR),
- Carica di recupero inversa molto bassa (QRR).
Ad esempio, alla stessa corrente e tensione nominale (ad es. 900 V), il QRR del diodo corporeo di un SIC-MOSFET è solo il 5% di quello di un MOSFET a base di silicio. Ciò è particolarmente vantaggioso per i circuiti di tipo ponte (come i convertitori di risonanza LLC che operano sopra la risonanza), come::
- Riduce i requisiti a tempo morto,
- Riduce al minimo le perdite e il rumore dal recupero dei diodi,
- Abilita frequenze di commutazione più elevate con una migliore efficienza.
3. Applicazioni di SIC-Mosfets
I moduli SIC-MOSFET dimostrano sostanziali vantaggi nei sistemi energetici da media a alta potenza, tra cui:
- Inverter fotovoltaici (PV),
- Convertitori di energia eolica,
- Veicoli elettrici (veicoli elettrici),
- Sistemi di trazione ferroviaria.
Grazie ai loro attributi ad alta tensione, ad alta frequenza e ad alta efficienza, i dispositivi SIC consentono scoperte nel design del propulsore EV, in cui i tradizionali dispositivi di silicio hanno raggiunto i colli di bottiglia delle prestazioni.
Esempi di spicco includono:
- Denso e Toyota, che hanno sviluppato unità di controllo dell'energia (PCU) per veicoli elettrici ibridi (HEV) e veicoli elettrici a batteria (EV) utilizzando moduli SIC-MOSFET. Questi sistemi hanno ottenuto una riduzione 5x di volume.
- Mitsubishi Electric, che ha sviluppato un sistema di trasmissione EV basato su SIC-MOSFET con motore e inverter completamente integrato, raggiungendo la miniaturizzazione e l'integrazione del sistema.
Secondo le proiezioni, i moduli SIC-MOSFET avrebbero dovuto vedere un'adozione diffusa nei veicoli elettrici a livello globale tra il 2018 e il 2020, una tendenza che continua a crescere man mano che la tecnologia matura e i costi diminuiscono.
Ⅳ. Didodi Schottky in carburo di silicio (SIC SBD)
1. Struttura del dispositivo
I diodi Schottky in carburo di silicio adottano una struttura di Schottky (JBS) di barriera di giunzione, che riduce efficacemente la corrente di perdita inversa e migliora la capacità di blocco ad alta tensione. Questa struttura combina i vantaggi della caduta a bassa tensione in avanti e della velocità di commutazione elevata.
2. Vantaggi dei diodi Sic Schottky
Come dispositivi unipolari, i diodi SIC Schottky offrono caratteristiche di recupero inversa superiori rispetto ai tradizionali diodi di recupero rapido del silicio (SI FRDS). Quando si passa dalla conduzione in avanti al blocco inverso, i diodi SIC mostrano:
- Corrente di recupero inversa quasi zero: i tempi di recupero inverso sono in genere inferiori a 20N; Ad esempio, un SBD SIC da 600 V/10A può raggiungere sotto i 10N.
- Elevata funzionalità di frequenza di commutazione: consente il funzionamento a frequenze significativamente più elevate con una migliore efficienza.
- Coefficiente di temperatura positivo: la resistenza aumenta con la temperatura, rendendo i dispositivi più adatti per il funzionamento parallelo e migliorando la sicurezza e l'affidabilità del sistema.
- Prestazioni di commutazione stabili tra le temperature: le caratteristiche di commutazione rimangono coerenti sotto lo stress termico.
- Perdite di commutazione minime: ideale per applicazioni ad alta efficienza.
3. Applicazioni
I diodi SIC Schottky sono ampiamente utilizzati in applicazioni da media a alta potenza, come: ad esempio:
- APRITENZIONE DI COMPUTINE (SMPS)
- Circuiti di correzione del fattore di potenza (PFC)
- Alimentatori ininterrottibili (UPS)
- Inverter fotovoltaici e sistemi di energia rinnovabile
La sostituzione di tradizionali SI FRDS con SIC SBD nei circuiti PFC consente di funzionare a frequenze superiori a 300kHz mantenendo l'efficienza. Al contrario, SI FRDS sperimenta un calo di efficienza significativo oltre 100kHz. Un funzionamento di frequenza più elevato riduce anche la dimensione di componenti passivi come gli induttori, riducendo il volume complessivo di PCB di oltre il 30%.
Ⅴ. Come viene considerato il carburo di silicio (sic)?
Il carburo di silicio è ampiamente riconosciuto come un materiale a semiconduttore a banda largo e un rappresentante leader della terza generazione di semiconduttori. È elogiato per le sue eccezionali proprietà fisiche ed elettriche:
1. Superiorità materiale
- Wide Band Gap (3.09 eV): 2,8 volte più largo del silicio, consentendo tensioni di rottura più elevate.
- Elevato campo elettrico di rottura (3,2 mV/cm): 5,3 volte superiore al silicio, consentendo strati di deriva molto più sottili.
- Alta conducibilità termica (4,9 W/cm · K): 3,3 volte superiore al silicio, facilitando una migliore dissipazione del calore.
- Forte resistenza alle radiazioni e alta densità portante: adatto per ambienti estremi.
2. Prestazioni elettriche
I dispositivi SIC offrono prestazioni notevolmente migliorate rispetto alle controparti di silicio:
- La regione di deriva può essere un ordine di magnitudo più sottile di quello del silicio per la stessa tensione di tensione.
- Le concentrazioni di doping possono essere fino a due ordini di grandezza più alti.
- La resistenza su resistenza per unità è fino a 100 volte inferiore.
- La generazione di calore è significativamente ridotta, contribuendo alla conduzione inferiore e alla commutazione.
- Le frequenze operative sono in genere più di 10 volte superiori a quelle dei dispositivi di silicio.
- I dispositivi SIC possono funzionare a temperature fino a 400 ° C e sono in grado di gestire correnti e tensioni elevate nei pacchetti compatti.
Recenti progressi hanno permesso di produrre IGBT a base di SiC e altri dispositivi di alimentazione con una resistenza di ondazione e calore molto più bassa. Queste proprietà rendono SIC un materiale ideale per l'elettronica di alimentazione di prossima generazione.
Ⅵ. Attuale stato di sviluppo dei dispositivi di carburo di silicio (SIC)
1. Parametri tecnici
Ad esempio, le valutazioni di tensione dei diodi Schottky sono aumentate da 250 V a oltre 1000 V, mentre l'area del chip è diminuita. Tuttavia, l'attuale valutazione è ancora solo poche decine di ampere. Le temperature operative sono migliorate a 180 ° C, che è ancora lontano dal massimo teorico di 600 ° C. La caduta di tensione in avanti è anche meno dell'ideale, paragonabile a quella dei dispositivi di silicio, con alcuni diodi SIC che presentano gocce di tensione in avanti fino a 2 V.
2. Prezzo di mercato
I dispositivi SIC sono approssimativamenteDa 5 a 6 volte più costosorispetto ai dispositivi equivalenti a base di silicio.
Ⅶ. Sfide nello sviluppo di dispositivi SIC
Sulla base di vari rapporti, le principali sfide non si trovano nel principio del dispositivo o nella progettazione strutturale, che possono essere generalmente risolte, ma nel processo di fabbricazione. Ecco alcuni problemi chiave:
1. Difetti microstrutturali nei wafer SIC
Un grave difetto è il microvipe, che è visibile anche ad occhio nudo. Fino a quando questi difetti non saranno completamente eliminati nella crescita dei cristalli, è difficile utilizzare SIC per dispositivi elettronici ad alta potenza. Mentre i wafer di alta qualità hanno una riduzione della densità di microlipe a meno di 15 cm⁻², le applicazioni industriali richiedono wafer di diametro superiore a 100 mm con densità di microrlipe inferiori a 0,5 cm⁻².
2. Bassa efficienza della crescita epitassiale
L'omoepitaxy SIC viene in genere eseguita tramite la deposizione di vapore chimico (CVD) a temperature superiori a 1500 ° C. A causa di problemi di sublimazione, le temperature non possono superare i 1800 ° C, con conseguenti bassi tassi di crescita. Mentre l'epitassia in fase liquida consente temperature più basse e tassi di crescita più elevati, la resa rimane bassa.
3. Sfide nei processi di doping
Il doping di diffusione convenzionale non è adatto per SIC a causa della sua alta temperatura di diffusione, che compromette la capacità di mascheramento dello strato Sio₂ e la stabilità dello stesso SIC. È richiesto l'impianto di ioni, in particolare per il doping di tipo P usando alluminio.
Tuttavia, gli ioni in alluminio causano significativi danni reticolari e scarsa attivazione, che richiedono l'impianto a temperature elevate di substrato seguite da ricottura ad alta temperatura. Ciò può portare alla decomposizione superficiale, alla sublimazione dell'atomo di Si e ad altri problemi. L'ottimizzazione della selezione dei droganti, delle temperature di ricottura e dei parametri di processo è ancora in corso.
4. Difficoltà a formare contatti ohmici
Creazione di contatti ohmici con resistività a contatto inferiore a 10⁻⁵ ω · cm² è fondamentale. Mentre Ni e Al sono in genere utilizzati, soffrono di scarsa stabilità termica superiore a 100 ° C. Elettrodi compositi come Al/Ni/W/Au possono migliorare la stabilità termica fino a 600 ° C per 100 ore, ma la resistività del contatto rimane elevata (~ 10⁻³ ω · cm²), rendendo difficile il raggiungimento di contatti ohmici affidabili.
5. Resistenza al calore dei materiali ausiliari
Sebbene i chip SIC possano funzionare a 600 ° C, materiali di supporto come elettrodi, saldatura, pacchetti e isolamento spesso non possono resistere a tali alte temperature, limitando le prestazioni complessive del sistema.
Nota: questi sono solo esempi selezionati. Molte altre sfide di fabbricazione - come l'attacco della trincea, la passione di terminazione dei bordi e l'affidabilità dell'interfaccia di ossido di gate nei MOSFET SIC - mancano ancora di soluzioni ideali. L'industria deve ancora raggiungere il consenso su molti di questi problemi, ostacolando significativamente il rapido sviluppo dei dispositivi di potere SIC.
Ⅷ. Perché i dispositivi SIC non sono ancora ampiamente adottati
I vantaggi dei dispositivi SIC furono riconosciuti già negli anni '60. Tuttavia, l'adozione diffusa è stata ritardata a causa di numerose sfide tecniche, in particolare nella produzione. Ancora oggi, l'applicazione industriale primaria di SIC rimane come abrasivo (carborundum).
SIC non si scioglie sotto una pressione controllabile ma sublima a circa 2500 ° C, il che significa che la crescita dei cristalli sfusi deve iniziare dalla fase del vapore, un processo molto più complesso della crescita del silicio (SI si scioglie a ~ 1400 ° C). Uno dei maggiori ostacoli al successo commerciale è la mancanza di substrati SIC adatti per i dispositivi a semiconduttore di potenza.
Per il silicio, i substrati a cristallo singolo (wafer) sono prontamente disponibili e sono le basi per la produzione su larga scala. Sebbene sia stato sviluppato un metodo per la coltivazione di substrati SIC di grandi dimensioni (metodo Lely modificato) alla fine degli anni '70, questi substrati hanno sofferto di difetti a microrlipe.
Un singolo microvipe che penetra in una giunzione PN ad alta tensione può distruggere la sua capacità di blocco. Negli ultimi tre anni, la densità di microlipe è scesa da decine di migliaia per mm² a decine per mm². Di conseguenza, le dimensioni del dispositivo sono state limitate a pochi mm², con correnti di massima valutazione di poche ampere.
Ulteriori miglioramenti nella qualità del substrato sono essenziali prima che i dispositivi di alimentazione SIC possano diventare commercialmente praticabili.
Ⅸ. Progressi nel wafer SIC e nella densità di microlipe
I recenti progressi mostrano che SIC per dispositivi optoelettronici ha raggiunto una qualità accettabile, con il rendimento della produzione e l'affidabilità non ostacolati da difetti dei materiali. Per dispositivi unipolari ad alta frequenza come MOSFET e diodi Schottky, la densità di microlipe è principalmente sotto controllo, sebbene influisca ancora leggermente alla resa.
Per dispositivi ad alta tensione e ad alta potenza, i materiali SIC richiedono ancora altri due anni di sviluppo per ridurre ulteriormente la densità dei difetti. Nonostante le attuali sfide, non vi è dubbio che SIC sia uno dei materiali a semiconduttore più promettenti per il 21 ° secolo.
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