Thiết bị SiC ở ngã tư: Tiến bộ nhanh chóng giữa những thách thức kỹ thuật đang diễn ra trong ngành công nghiệp bán dẫn thế hệ tiếp theo

May 28, 2025

Ⅰ. Silicon Carbide (SiC)

Do tính chất hóa học ổn định, dẫn nhiệt cao, hệ số mở rộng nhiệt thấp và khả năng chống mòn tuyệt vời,Silicon carbide (SiC) có các ứng dụng vượt xa so với việc sử dụng truyền thống như một chất mài mònVí dụ, bột SiC có thể được áp dụng cho bề mặt bên trong của các động cơ xoắn ốc hoặc lót xi lanh thông qua các quy trình đặc biệt để tăng khả năng chống mòn và kéo dài tuổi thọ từ 1 đến 2 lần.Các vật liệu chống cháy cao cấp được làm từ SiC thể hiện khả năng chống sốc nhiệt tuyệt vời, giảm khối lượng, trọng lượng nhẹ hơn và độ bền cơ học cao, dẫn đến lợi ích tiết kiệm năng lượng đáng kể.

Silicon carbide cấp thấp (có chứa khoảng 85% SiC) phục vụ như một chất khử oxy hóa tuyệt vời trong thép, tăng tốc quá trình nóng chảy, tạo điều kiện kiểm soát thành phần hóa học,và cải thiện chất lượng thép tổng thểNgoài ra, SiC được sử dụng rộng rãi trong sản xuất các yếu tố sưởi ấm silicon carbide (cây SiC).

Silicon carbide là một vật liệu cực kỳ cứng, với độ cứng Mohs là 9,5 ̊ giây chỉ so với kim cương (10).Nó có độ dẫn nhiệt tuyệt vời và là một chất bán dẫn có khả năng chống oxy hóa xuất sắc ở nhiệt độ cao.

ⅡƯu điểm của các thiết bị Silicon Carbide

Silicon carbide (SiC) hiện là vật liệu bán dẫn băng tần rộng (WBG) trưởng thành nhất đang được phát triển.Các quốc gia trên thế giới đặt trọng tâm lớn vào nghiên cứu SiC và đã đầu tư các nguồn lực đáng kể để thúc đẩy sự tiến bộ của nó.

Hoa Kỳ, châu Âu, Nhật Bản và các nước khác đã thiết lập các chiến lược phát triển ở cấp quốc gia cho SiC.Những người chơi lớn trong ngành công nghiệp điện tử toàn cầu cũng đã đầu tư rất nhiều vào việc phát triển các thiết bị bán dẫn SiC.

So với các thiết bị dựa trên silicon thông thường, các thành phần dựa trên SiC cung cấp những lợi thế sau:

1. Khả năng điện áp cao

Các thiết bị cacbon silic chịu được điện áp lên đến 10 lần cao hơn các thiết bị silic tương đương.Các bóng bán dẫn hiệu ứng trường dựa trên SiC (FET) có thể hoạt động ở tốc độ hàng chục kilovolts trong khi duy trì kháng cự trong trạng thái có thể quản lý được.

2. Hiệu suất tần số cao

tin tức mới nhất của công ty về Thiết bị SiC ở ngã tư: Tiến bộ nhanh chóng giữa những thách thức kỹ thuật đang diễn ra trong ngành công nghiệp bán dẫn thế hệ tiếp theo 0

(Các chi tiết cụ thể không được cung cấp trong văn bản gốc, nhưng có thể được bổ sung nếu cần thiết.)

3Hoạt động nhiệt độ cao

Với các thiết bị Si thông thường gần với giới hạn hiệu suất lý thuyết của chúng, các thiết bị điện SiC được coi là ứng cử viên lý tưởng do điện áp phá vỡ cao, tổn thất chuyển đổi thấp,và hiệu quả vượt trội.

Tuy nhiên, việc áp dụng rộng rãi các thiết bị điện SiC phụ thuộc vào sự cân bằng giữa hiệu suất và chi phí, cũng như khả năng đáp ứng nhu cầu cao của các quy trình sản xuất tiên tiến.

Hiện nay, các thiết bị SiC năng lượng thấp đã chuyển từ nghiên cứu trong phòng thí nghiệm sang sản xuất thương mại.Các tấm SiC vẫn tương đối đắt tiền và bị mật độ khiếm khuyết cao hơn so với các vật liệu bán dẫn truyền thống.

ⅢCác thiết bị SiC MOS được xem rộng rãi nhất

1SiC-MOSFET

SiC-MOSFET (Silicon Carbide Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) hiện là thiết bị điện tử điện năng được nghiên cứu chuyên sâu nhất trong hệ thống vật liệu SiC.Những bước đột phá đáng chú ý đã được thực hiện bởi các công ty hàng đầu như Cree (Mỹ) và ROHM (Nhật Bản).

Trong một cấu trúc SiC-MOSFET điển hình, cả vùng nguồn N + và hố P được hình thành bằng cách cấy ghép ion, sau đó được ủ ở nhiệt độ cao (~ 1700 ° C) để kích hoạt các chất phụ gia.Một trong những quá trình quan trọng trong sản xuất SiC-MOSFET là sự hình thành lớp gate oxideVới việc silicon carbide bao gồm cả nguyên tử Si và C, sự phát triển của các chất điện đệm cổng đòi hỏi các kỹ thuật phát triển oxit chuyên biệt.

Cấu trúc rãnh so với cấu trúc phẳng

Kiến trúc SiC-MOSFET kiểu rãnh tối đa hóa lợi thế hiệu suất của các vật liệu SiC so với thiết kế phẳng truyền thống.và phân phối trường điện tốt hơn.

tin tức mới nhất của công ty về Thiết bị SiC ở ngã tư: Tiến bộ nhanh chóng giữa những thách thức kỹ thuật đang diễn ra trong ngành công nghiệp bán dẫn thế hệ tiếp theo 1

tin tức mới nhất của công ty về Thiết bị SiC ở ngã tư: Tiến bộ nhanh chóng giữa những thách thức kỹ thuật đang diễn ra trong ngành công nghiệp bán dẫn thế hệ tiếp theo 2

2Ưu điểm của SiC-MOSFET

Các IGBT silicon thông thường hoạt động dưới 20 kHz. Do các giới hạn vật liệu nội tại, hoạt động điện áp cao và tần số cao rất khó đạt được với các thiết bị dựa trên silicon.

Ngược lại, SiC-MOSFET phù hợp với một loạt các ứng dụng điện áp từ 600 V đến hơn 10 kV và thể hiện đặc điểm chuyển đổi tuyệt vời như các thiết bị đơn cực.

So với IGBT silicon, SiC-MOSFET cung cấp:

Điện đuôi bằng không trong khi chuyển đổi,
Giảm tổn thất chuyển đổi,
Tần suất hoạt động cao hơn đáng kể.

Ví dụ, một mô-đun SiC-MOSFET 20 kHz có thể mất một nửa năng lượng của một mô-đun IGBT 3 kHz. Một mô-đun SiC 50 A có thể thay thế hiệu quả một mô-đun Si 150 A,nhấn mạnh lợi thế về hiệu quả và hiệu suất tần số cao.

Hơn nữa, các diode cơ thể trong SiC-MOSFET có đặc điểm phục hồi ngược cực nhanh, có:

Thời gian phục hồi ngược cực ngắn (trr),
Lượng thu hồi ngược rất thấp (Qrr).

Ví dụ, ở cùng một dòng điện và điện áp (ví dụ, 900 V), Qrr của bộ dẫn điện cơ thể SiC-MOSFET chỉ là 5% của MOSFET dựa trên silic.Điều này đặc biệt có lợi cho các mạch kiểu cầu (như các bộ chuyển đổi cộng hưởng LLC hoạt động trên cộng hưởng), vì nó:

Giảm yêu cầu thời gian chết,
Giảm thiểu tổn thất và tiếng ồn từ khôi phục diode,
Cho phép tần số chuyển đổi cao hơn với hiệu quả cải thiện.

3Ứng dụng của SiC-MOSFET

Các mô-đun SiC-MOSFET cho thấy những lợi thế đáng kể trong các hệ thống năng lượng công suất trung bình đến cao, bao gồm:

Máy biến đổi năng lượng mặt trời (PV),
Máy chuyển đổi năng lượng gió,
Xe điện (EV),
Hệ thống kéo đường sắt.

Nhờ tính năng điện áp cao, tần số cao và hiệu quả cao của chúng, các thiết bị SiC đang tạo ra những bước đột phá trong thiết kế hệ thống truyền động xe điện.khi các thiết bị silicon truyền thống đã đạt được các nút thắt hiệu suất.

Các ví dụ nổi bật bao gồm:

DENSO và Toyota, cùng nhau phát triển các đơn vị điều khiển điện năng (PCU) cho xe điện lai (HEV) và xe điện pin (EV) sử dụng các mô-đun SiC-MOSFET.Các hệ thống này đạt được một giảm 5 lần khối lượng.
Mitsubishi Electric, đã phát triển một hệ thống truyền động động cơ EV dựa trên SiC-MOSFET với động cơ và biến tần tích hợp đầy đủ, đạt được thu nhỏ và tích hợp hệ thống.

Theo dự báo, các mô-đun SiC-MOSFET dự kiến sẽ được áp dụng rộng rãi trong các phương tiện điện trên toàn cầu trong giai đoạn từ năm 2018 đến năm 2020,một xu hướng tiếp tục phát triển khi công nghệ trưởng thành và chi phí giảm.

Ⅳ. Silicon Carbide Schottky Diodes (SiC SBD)

1. Cấu trúc thiết bị

Các diode Schottky cacbon silic sử dụng cấu trúc Junction Barrier Schottky (JBS), làm giảm hiệu quả dòng rò rỉ ngược và cải thiện khả năng chặn điện áp cao.Cấu trúc này kết hợp các lợi thế của giảm điện áp phía trước thấp và tốc độ chuyển đổi cao.

2Ưu điểm của SiC Schottky Diode

Là các thiết bị đơn cực, SiC Schottky diode cung cấp các đặc điểm phục hồi ngược vượt trội so với silicon truyền thống Fast Recovery Diodes (Si FRD).Khi chuyển từ dẫn điện phía trước sang chặn ngược, SiC diode cho thấy:

Điện phục hồi ngược gần bằng không: Thời gian phục hồi ngược thường dưới 20ns; ví dụ, một SBD SiC 600V / 10A có thể đạt được dưới 10ns.
Khả năng chuyển tần số cao: Cho phép hoạt động ở tần số cao hơn đáng kể với hiệu quả cải thiện.
Tỷ lệ nhiệt độ tích cực: Chống tăng lên với nhiệt độ, làm cho các thiết bị phù hợp hơn với hoạt động song song và tăng cường an toàn và độ tin cậy của hệ thống.
Hiệu suất chuyển đổi ổn định qua nhiệt độ: Đặc điểm chuyển đổi vẫn ổn định dưới áp lực nhiệt.
Mất chuyển đổi tối thiểu: Lý tưởng cho các ứng dụng hiệu quả cao.

3Ứng dụng

SiC Schottky diode được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công suất trung bình đến cao, như:

Các nguồn điện chuyển đổi (SMPS)
Các mạch điều chỉnh yếu tố công suất (PFC)
Các nguồn điện không bị gián đoạn (UPS)
Máy biến đổi quang điện và hệ thống năng lượng tái tạo

Thay thế Si FRD truyền thống bằng SiC SBD trong mạch PFC cho phép hoạt động ở tần số trên 300kHz trong khi duy trì hiệu quả.Si FRD trải qua sự sụt giảm hiệu quả đáng kể vượt quá 100kHzHoạt động tần số cao hơn cũng làm giảm kích thước của các thành phần thụ động như cảm ứng, thu hẹp tổng thể khối lượng PCB hơn 30%.

ⅤSilicon Carbide (SiC) được xem như thế nào?

Silicon carbide được công nhận rộng rãi là một vật liệu bán dẫn băng tần rộng đột phá và là đại diện hàng đầu của thế hệ bán dẫn thứ ba.Nó được ca ngợi vì các tính chất vật lý và điện học xuất sắc:

1. Sự vượt trội về vật chất

Phạm vi rộng (3.09 eV): rộng hơn 2,8 lần so với silicon, cho phép điện áp phá vỡ cao hơn.
Trường điện phân hủy cao (3,2 MV / cm): cao hơn 5,3 lần so với silicon, cho phép các lớp trôi mỏng hơn nhiều.
Tính dẫn nhiệt cao (4,9 W/cm·K): cao hơn 3,3 lần so với silicon, tạo điều kiện phân tán nhiệt tốt hơn.
Chống bức xạ mạnh và mật độ chất mang cao: Phù hợp với môi trường khắc nghiệt.

2. Hiệu suất điện

Các thiết bị SiC cung cấp hiệu suất cải thiện đáng kể so với các đối tác silicon:

Vùng trôi có thể mỏng hơn một thứ hạng so với silicon với cùng một điện áp.
Nồng độ doping có thể cao hơn 2 bậc.
Kháng hoạt động trên mỗi đơn vị diện tích thấp hơn tới 100 lần.
Sản xuất nhiệt được giảm đáng kể, góp phần giảm lỗ dẫn và chuyển đổi.
Tần số hoạt động thường cao hơn 10 lần so với các thiết bị silicon.
Các thiết bị SiC có thể hoạt động ở nhiệt độ lên đến 400 °C và có khả năng xử lý dòng điện và điện áp cao trong các gói nhỏ gọn.

Những tiến bộ gần đây đã cho phép sản xuất IGBT dựa trên SiC và các thiết bị điện khác với điện trở và nhiệt thấp hơn nhiều.Các tính chất này làm cho SiC trở thành vật liệu lý tưởng cho thế hệ điện tử điện năng tiếp theo.

ⅥTình trạng phát triển hiện tại của các thiết bị Silicon Carbide (SiC)

1Các thông số kỹ thuật

Ví dụ, số điện áp của Schottky diode đã tăng từ 250V lên trên 1000V, trong khi diện tích chip đã giảm.Nhiệt độ hoạt động đã được cải thiện đến 180 ° C, vẫn còn xa mức tối đa lý thuyết là 600 °C.Sự sụt giảm điện áp phía trước cũng ít hơn lý tưởng so với các thiết bị silicon với một số đèn LED SiC cho thấy sự sụt giảm điện áp phía trước cao tới 2V.

2Giá thị trường

Thiết bị SiC là khoảng5 đến 6 lần đắt hơnso với các thiết bị dựa trên silic tương đương.

ⅦNhững thách thức trong việc phát triển các thiết bị SiC

Dựa trên các báo cáo khác nhau, những thách thức lớn không nằm trong nguyên tắc thiết bị hoặc thiết kế cấu trúc, mà nói chung có thể được giải quyết, nhưng trong quá trình sản xuất.

1. Các khiếm khuyết cấu trúc vi mô trong SiC Wafers

Một khiếm khuyết lớn là micropipe, có thể nhìn thấy ngay cả bằng mắt thường.Trong khi các loại wafer chất lượng cao đã làm giảm mật độ micropipe xuống dưới 15 cm−2, các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi các miếng mềm có đường kính trên 100 mm với mật độ vi ống dưới 0,5 cm−2.

2Hiệu quả thấp của sự phát triển của trục

SiC homoepitaxy thường được thực hiện thông qua lắng đọng hơi hóa học (CVD) ở nhiệt độ trên 1500 ° C. Do các vấn đề ngự trị, nhiệt độ không thể vượt quá 1800 ° C, dẫn đến tỷ lệ tăng trưởng thấp.Trong khi pha lỏng epitaxy cho phép nhiệt độ thấp hơn và tốc độ tăng trưởng cao hơn, năng suất vẫn thấp.

3Những thách thức trong quá trình sử dụng doping

Tiêu chuẩn truyền thống không phù hợp với SiC do nhiệt độ khuếch tán cao của nó, làm tổn hại khả năng che phủ của lớp SiO2 và sự ổn định của chính SiC.Cần cấy ghép ion, đặc biệt là đối với doping loại p sử dụng nhôm.

Tuy nhiên, các ion nhôm gây ra tổn thương lưới đáng kể và kích hoạt kém, đòi hỏi cấy ghép ở nhiệt độ nền cao theo sau là nóng hóa nhiệt độ cao.Điều này có thể dẫn đến sự phân hủy bề mặt, Si nguyên tử sublimation, và các vấn đề khác. tối ưu hóa lựa chọn chất bổ sung, nhiệt độ tan và các thông số quy trình vẫn đang diễn ra.

4. Khó khăn trong việc tạo ra liên lạc Ohmic

Tạo liên lạc ohmic với điện trở liên lạc dưới 10−5 Ω·cm2 là rất quan trọng.Các điện cực tổng hợp như Al/Ni/W/Au có thể cải thiện độ ổn định nhiệt lên đến 600 °C trong 100 giờ, nhưng độ kháng tiếp xúc vẫn cao (~ 10−3 Ω · cm2), khiến việc tiếp xúc ohmic đáng tin cậy khó đạt được.

5. Kháng nhiệt của vật liệu phụ trợ

Mặc dù chip SiC có thể hoạt động ở nhiệt độ 600 ° C, các vật liệu hỗ trợ như điện cực, hàn, gói và cách điện thường không thể chịu được nhiệt độ cao như vậy,hạn chế hiệu suất tổng thể của hệ thống.

tin tức mới nhất của công ty về Thiết bị SiC ở ngã tư: Tiến bộ nhanh chóng giữa những thách thức kỹ thuật đang diễn ra trong ngành công nghiệp bán dẫn thế hệ tiếp theo 3

Lưu ý: Đây chỉ là một số ví dụ được chọn. Nhiều thách thức chế tạo khác như khắc rãnh, thụ động kết thúc cạnh,và độ tin cậy của giao diện gate oxide trong SiC MOSFETs vẫn thiếu các giải pháp lý tưởngNgành công nghiệp vẫn chưa đạt được sự đồng thuận về một số vấn đề này, cản trở đáng kể sự phát triển nhanh chóng của các thiết bị điện SiC.

ⅧTại sao các thiết bị SiC vẫn chưa được áp dụng rộng rãi

Những lợi thế của các thiết bị SiC đã được công nhận từ đầu những năm 1960. tuy nhiên, việc áp dụng rộng rãi đã bị trì hoãn do nhiều thách thức kỹ thuật, đặc biệt là trong sản xuất.Ứng dụng công nghiệp chính của SiC vẫn là chất mài mòn (carborundum).

SiC không tan chảy dưới áp suất có thể kiểm soát được nhưng sublimates ở khoảng 2500 ° C, có nghĩa là sự phát triển tinh thể lớn phải bắt đầu từ pha hơi,một quá trình phức tạp hơn nhiều so với tăng trưởng silicon (Si tan chảy ở ~ 1400 °C)Một trong những trở ngại lớn nhất đối với thành công thương mại là thiếu chất nền SiC phù hợp cho các thiết bị bán dẫn điện.

Đối với silicon, chất nền tinh thể đơn (mảng) có sẵn và là nền tảng cho sản xuất quy mô lớn.Mặc dù một phương pháp để trồng các chất nền SiC diện tích lớn (phương pháp Lely sửa đổi) đã được phát triển vào cuối những năm 1970, các chất nền này bị khiếm khuyết micropipe.

Một ống nhỏ xuyên qua một đường nối điện áp cao có thể phá hủy khả năng chặn của nó.mật độ vi ống đã giảm từ hàng chục ngàn trên mm2 xuống còn hàng chục trên mm2Kết quả là, kích thước thiết bị đã được giới hạn chỉ một vài mm2, với dòng điện tối đa chỉ vài ampere.

Cải tiến hơn nữa về chất lượng nền là điều cần thiết trước khi các thiết bị điện SiC có thể trở nên khả thi thương mại.

ⅨTiến bộ trong SiC Wafer và Micropipe Density

Những tiến bộ gần đây cho thấy SiC cho các thiết bị quang điện tử đã đạt được chất lượng chấp nhận được, với năng suất sản xuất và độ tin cậy không còn bị cản trở bởi các khiếm khuyết vật liệu.Đối với các thiết bị đơn cực tần số cao như MOSFET và đèn Schottky, mật độ micropipe chủ yếu được kiểm soát, mặc dù nó vẫn ảnh hưởng nhẹ đến năng suất.

Đối với các thiết bị điện áp cao, công suất cao, các vật liệu SiC vẫn cần thêm hai năm phát triển để giảm thêm mật độ khiếm khuyết.không có nghi ngờ rằng SiC là một trong những vật liệu bán dẫn hứa hẹn nhất cho thế kỷ 21.

ⅩCác sản phẩm liên quan

12 inch SiC Wafer 300mm Silicon Carbide wafer Chất dẫn Dummy Grade N-Type