Détails du blog

Ⅰ. Carbure de silicium (sic)

En raison de ses propriétés chimiques stables, de la conductivité thermique élevée, de son faible coefficient de dilatation thermique et de l'excellente résistance à l'usure, le carbure de silicium (SIC) a des applications bien au-delà de son utilisation traditionnelle comme abrasif. Par exemple, la poudre SIC peut être appliquée sur les surfaces intérieures des trousons de turbine ou des revêtements de cylindre via des processus spéciaux pour améliorer la résistance à l'usure et prolonger la durée de vie de 1 à 2 fois. Les matériaux réfractaires de haut grade fabriqués à partir du SIC présentent une excellente résistance aux chocs thermiques, un volume réduit, un poids plus léger et une forte résistance mécanique, conduisant à des avantages d'économie d'énergie importants.

Le carbure de silicium de bas grade (contenant environ 85% de sic) sert d'un excellent désoxydateur dans l'accélération, accélérant le processus de fusion, facilitant le contrôle de la composition chimique et améliorant la qualité globale de l'acier. De plus, le SIC est largement utilisé dans la fabrication d'éléments de chauffage en carbure de silicium (tiges de Sic).

Le carbure de silicium est un matériau extrêmement dur, avec une dureté Mohs de 9,5 - une seconde uniquement au diamant (10). Il possède une excellente conductivité thermique et est un semi-conducteur avec une résistance à l'oxydation exceptionnelle à des températures élevées.

Ⅱ. Avantages des appareils en carbure de silicium

Le carbure de silicium (SIC) est actuellement le matériau semi-conducteur le plus mature (WBG) en cours de développement. Les pays du monde entier mettent l'accent sur la recherche sur la SIC et ont investi des ressources substantielles pour promouvoir son avancement.

Les États-Unis, l'Europe, le Japon et d'autres ont établi des stratégies de développement au niveau national pour le SIC. Les principaux acteurs de l'industrie mondiale de l'électronique ont également investi massivement dans le développement des appareils semi-conducteurs sic.

Par rapport aux dispositifs conventionnels à base de silicium, les composants basés sur SIC offrent les avantages suivants:

1. Capacité de haute tension

Les dispositifs en carbure de silicium résistent aux tensions jusqu'à 10 fois supérieures aux appareils de silicium équivalents. Par exemple, les diodes SIC Schottky peuvent prendre en charge des tensions de panne allant jusqu'à 2400 V. Les transistors à effet de terrain à base de V. (FET) peuvent fonctionner à des dizaines de kilovolts tout en maintenant une résistance à l'État gérable.

2. Performance à haute fréquence

(Détails spécifiques non fournis dans le texte d'origine, mais peut être complété si nécessaire.)

3. opération à haute température

Avec des dispositifs SI conventionnels qui approchaient de leurs limites de performance théoriques, les dispositifs d'alimentation SIC sont considérés comme des candidats idéaux en raison de leur tension de dégradation élevée, de leurs pertes de commutation faibles et de leur efficacité supérieure.

Cependant, l'adoption généralisée des dispositifs d'énergie SIC dépend de l'équilibre entre les performances et les coûts, ainsi que la capacité de répondre aux fortes demandes des processus de fabrication avancés.

À l'heure actuelle, les dispositifs SIC à faible puissance sont passés de la recherche en laboratoire à la production commerciale. Cependant, les plaquettes SIC restent relativement coûteuses et souffrent d'une densité de défauts plus élevée par rapport aux matériaux semi-conducteurs traditionnels.

Ⅲ. Les appareils SIC MOS les plus largement regardés

1. Sic-Mosfet

Le SIC-MOSFET (transistor à effets de champ en carbure de carbure de carbure de carbure sur le champ) est actuellement le dispositif électronique d'alimentation le plus recherché dans le système de matériaux SIC. Des percées notables ont été faites par des sociétés de premier plan telles que Cree (USA) et Rohm (Japon).

Dans une structure SIC-MOSFET typique, la région de la source N + et le pell P sont formées en utilisant l'implantation ionique, suivie d'un recuit à des températures élevées (~ 1700 ° C) pour activer les dopants. L'un des processus critiques de la fabrication de SIC-MOSFET est la formation de la couche d'oxyde de porte. Étant donné que le carbure de silicium se compose à la fois d'atomes SI et C, la croissance des diélectriques de grille nécessite des techniques de croissance d'oxyde spécialisées.

Structure des tranchées vs structure planaire

L'architecture SIC-MOSFET de type tranchée maximise les avantages de performance des matériaux SIC par rapport aux conceptions planes traditionnelles. Cette structure permet une densité de courant plus élevée, une résistance à la résistance plus faible et une meilleure distribution de champ électrique.

2. Avantages des sic-MOSFETS

Les IGBS de silicium conventionnels fonctionnent généralement en dessous de 20 kHz. En raison des limitations intrinsèques des matériaux, un fonctionnement à haute tension et à haute fréquence est difficile à réaliser avec des dispositifs à base de silicium.

En revanche, les SIC-MOSFET sont bien adaptés pour une large gamme d'applications de tension - de 600 V à plus de 10 kV - et présentent d'excellentes caractéristiques de commutation sous forme de dispositifs unipolaires.

Par rapport aux IGBT de silicium, les sic-MOSFETS proposent:

• Courant de queue zéro pendant la commutation,
• Pertes de commutation inférieures,
• Fréquence de fonctionnement significativement plus élevée.

Par exemple, un module SIC-MOSFET à 20 kHz peut présenter la moitié de la perte de puissance d'un module IGBT Silicon de 3 kHz. Un module 50 A SIC peut remplacer efficacement un module 150 A SI, mettant en évidence les avantages de l'efficacité et de la performance à haute fréquence.

De plus, la diode corporelle dans SIC-MOSFETS a des caractéristiques de récupération inverse ultra-rapides, avec:

• Temps de récupération inversé extrêmement court (TRR),
• Très faible charge de récupération inversée (QRR).

Par exemple, au même courant et tension notés (par exemple, 900 V), le QRR de la diode corporelle d'un SIC-MOSFET n'est que de 5% de celui d'un MOSFET à base de silicium. Ceci est particulièrement bénéfique pour les circuits de type pont (tels que les convertisseurs de résonance LLC opérant au-dessus de la résonance), comme il:

• Réduit les exigences en temps mort,
• Minimise les pertes et le bruit de la récupération des diodes,
• Permet des fréquences de commutation plus élevées avec une efficacité améliorée.

3. Applications de sic-MOSFETS

Les modules SIC-MOSFET démontrent des avantages substantiels dans les systèmes énergétiques moyennes à puissance, notamment:

• Onduleurs photovoltaïques (PV),
• Convertisseurs d'énergie éolienne,
• Véhicules électriques (véhicules électriques),
• Systèmes de traction ferroviaire.

Grâce à leurs attributs à haute tension, à haute fréquence et à haute efficacité, les appareils SIC permettent aux percées dans la conception du groupe motopropulseur EV, où les appareils en silicium traditionnels ont atteint des goulots d'étranglement de performance.

Des exemples importants comprennent:

• Denso et Toyota, qui ont développé conjointement les unités de contrôle d'alimentation (PCU) pour les véhicules électriques hybrides (HEV) et les véhicules électriques de batterie (EV) utilisant des modules SIC-MOSFET. Ces systèmes ont réalisé une réduction de 5x de volume.
• Mitsubishi Electric, qui a développé un système d'entraînement de moteur EV basé sur le MOSFET avec un moteur et un onduleur entièrement intégrés, atteignant la miniaturisation et l'intégration du système.

Selon les projections, les modules SIC-MOSFET devaient voir une adoption généralisée dans les véhicules électriques dans le monde entre 2018 et 2020, une tendance qui continue de croître à mesure que la technologie mûrit et que les coûts diminuent.

Ⅳ. Diodes Schottky en carbure de silicium (SIC SBD)

1. Structure de l'appareil

Les diodes Schottky en carbure de silicium adoptent une structure de Schottky (JBS) à barrière de jonction, qui réduit efficacement le courant de fuite inverse et améliore la capacité de blocage à haute tension. Cette structure combine les avantages d'une chute de tension avant faible et d'une vitesse de commutation élevée.

2. Avantages des diodes Sic Schottky

En tant que dispositifs unipolaires, les diodes SIC Schottky offrent des caractéristiques de récupération inverse supérieures par rapport aux diodes de récupération rapide de silicium traditionnelles (SI FRDS). Lors du passage de la conduction vers l'avant au blocage inversé, les diodes SIC présentent:

• Courant de récupération inverse près de zéro: les temps de récupération inverse sont généralement inférieurs à 20 ns; Par exemple, un SBD SIC 600 V / 10A peut atteindre moins de 10N.
• Capacité de fréquence de commutation élevée: permet le fonctionnement à des fréquences significativement plus élevées avec une efficacité améliorée.
• Coefficient de température positif: la résistance augmente avec la température, ce qui rend les appareils plus adaptés à un fonctionnement parallèle et à l'amélioration de la sécurité et de la fiabilité du système.
• Performance de commutation stable à travers les températures: les caractéristiques de commutation restent cohérentes sous contrainte thermique.
• Pertes de commutation minimales: idéal pour les applications à haute efficacité.

3. Applications

Les diodes de schottky SIC sont largement utilisées dans des applications moyennes à puissance, telles que:

• Commutateur d'alimentation (SMPS)
• Circuits de correction du facteur de puissance (PFC)
• Alimentations d'alimentation sans interruption (UPS)
• Onduleurs photovoltaïques et systèmes d'énergie renouvelable

Le remplacement des FRD SI traditionnels par des SBD SIC dans les circuits PFC permet de fonctionner à des fréquences supérieures à 300 kHz tout en maintenant l'efficacité. En revanche, les SI FRD connaissent une chute d'efficacité significative au-delà de 100 kHz. Un fonctionnement de fréquence plus élevé réduit également la taille des composants passifs comme les inductances, réduisant le volume global de PCB de plus de 30%.

Ⅴ. Comment le carbure de silicium (sic) est-il considéré?

Le carbure de silicium est largement reconnu comme un matériau semi-conducteur de bande interdite large et un représentant de la troisième génération de semi-conducteurs. Il est loué pour ses propriétés physiques et électriques exceptionnelles:

1. Spécialisation des matériaux

• Bandgap large (3,09 eV): 2,8 fois plus large que le silicium, permettant des tensions de panne plus élevées.
• Champ électrique élevé (3,2 mV / cm): 5,3 fois plus élevé que le silicium, permettant des couches de dérive beaucoup plus minces.
• Haute conductivité thermique (4,9 W / cm · K): 3,3 fois plus élevée que le silicium, facilitant une meilleure dissipation thermique.
• Strong Radiation Resistance and Haute densité des porteurs: adapté aux environnements extrêmes.

2. Performance électrique

Les appareils SIC offrent des performances considérablement améliorées par rapport aux homologues en silicium:

• La région de dérive peut être un ordre de grandeur plus mince que celle du silicium pour la même cote de tension.
• Les concentrations de dopage peuvent être plus élevées jusqu'à deux ordres de grandeur.
• La résistance sur la surface de l'unité est jusqu'à 100 fois inférieure.
• La génération de chaleur est considérablement réduite, contribuant à une baisse des pertes de conduction et de commutation.
• Les fréquences de fonctionnement sont généralement plus de 10 fois plus élevées que celles des appareils en silicium.
• Les dispositifs SIC peuvent fonctionner à des températures allant jusqu'à 400 ° C et sont capables de gérer des courants et des tensions élevés dans des packages compacts.

Les progrès récents ont permis de produire des IGBT à base de SiC et d'autres dispositifs d'alimentation avec une résistance et une génération de chaleur beaucoup plus faibles. Ces propriétés font du SIC un matériau idéal pour l'électronique de puissance de nouvelle génération.

Ⅵ. État de développement actuel des appareils en carbure de silicium (SIC)

1. Paramètres techniques

Par exemple, les cotes de tension des diodes Schottky sont passées de 250 V à plus de 1000 V, tandis que la zone de la puce a diminué. Cependant, la notation actuelle n'est encore que quelques dizaines d'ampères. Les températures de fonctionnement se sont améliorées à 180 ° C, ce qui est encore loin du maximum théorique de 600 ° C. La chute de tension directe est également moins qu'idéale - comparable à celle des dispositifs de silicium - avec certaines diodes sic présentant des chutes de tension avant aussi élevées que 2V.

2. Prix du marché

Les appareils SIC sont approximativement5 à 6 fois plus cherque des appareils à base de silicium équivalents.

Ⅶ. Défis dans le développement des appareils SIC

Sur la base de divers rapports, les principaux défis ne résident pas dans le principe de l'appareil ou la conception structurelle, qui peut généralement être résolu, mais dans le processus de fabrication. Voici quelques problèmes clés:

1. Défauts microstructuraux dans les tranches de Sic

Un défaut majeur est le micropy, qui est visible même à l'œil nu. Jusqu'à ce que ces défauts soient entièrement éliminés en croissance cristalline, il est difficile d'utiliser le SIC pour les appareils électroniques de haute puissance. Alors que les TAL de haute qualité ont réduit la densité des micropytes à moins de 15 cm⁻², les applications industrielles exigent que des plaquettes de diamètre de plus de 100 mm avec des densités de micropytes inférieures à 0,5 cm⁻².

2. Faible efficacité de la croissance épitaxiale

L'homoépitaxie SIC est généralement réalisée via un dépôt de vapeur chimique (CVD) à des températures supérieures à 1500 ° C. En raison de problèmes de sublimation, les températures ne peuvent pas dépasser 1800 ° C, entraînant de faibles taux de croissance. Bien que l'épitaxy en phase liquide permet des températures plus faibles et des taux de croissance plus élevés, le rendement reste faible.

3. Défis dans les processus de dopage

Le dopage de diffusion conventionnel ne convient pas au SIC en raison de sa température de diffusion élevée, ce qui compromet la capacité de masquage de la couche Sio₂ et la stabilité du sic lui-même. L'implantation ionique est nécessaire, en particulier pour le dopage de type P à l'aide d'aluminium.

Cependant, les ions en aluminium provoquent des lésions de réseau significatives et une mauvaise activation, nécessitant l'implantation à des températures élevées de substrat suivie d'un recuit à haute température. Cela peut entraîner une décomposition de surface, une sublimation de l'atome de Si et d'autres problèmes. L'optimisation de la sélection des dopants, des températures de recuit et des paramètres de processus est toujours en cours.

4. difficulté à former des contacts ohmiques

La création de contacts ohmiques avec une résistivité de contact inférieure à 10⁻⁵ ω · cm² est essentielle. Alors que Ni et Al sont généralement utilisés, ils souffrent d'une mauvaise stabilité thermique supérieure à 100 ° C. Des électrodes composites telles que Al / Ni / W / Au peuvent améliorer la stabilité thermique jusqu'à 600 ° C pendant 100 heures, mais la résistivité de contact reste élevée (~ 10⁻³ ω · cm²), ce qui rend difficile les contacts ohmiques fiables.

5. Résistance à la chaleur des matériaux auxiliaires

Bien que les puces SIC puissent fonctionner à 600 ° C, les matériaux de support tels que les électrodes, la soudure, les colis et l'isolation ne peuvent souvent pas résister à des températures aussi élevées, limitant les performances globales du système.

Remarque: ce ne sont que des exemples sélectionnés. De nombreux autres défis de fabrication - tels que la gravure des tranchées, la passivation de terminaison de bord et la fiabilité de l'interface d'oxyde de porte dans les MOSFET SIC - manquent toujours de solutions idéales. L'industrie n'a pas encore atteint un consensus sur plusieurs de ces questions, ce qui entrave considérablement le développement rapide des dispositifs de puissance SIC.

Ⅷ. Pourquoi les appareils SIC ne sont pas encore largement adoptés

Les avantages des dispositifs SIC ont été reconnus dès les années 1960. Cependant, une adoption généralisée a été retardée en raison de nombreux défis techniques, en particulier dans la fabrication. Aujourd'hui encore, la principale application industrielle du SIC reste un abrasif (carborundum).

Le SIC ne fonde pas sous une pression contrôlable mais sublimate à environ 2500 ° C, ce qui signifie que la croissance des cristaux en vrac doit commencer à partir de la phase de vapeur, un processus beaucoup plus complexe que la croissance du silicium (Si fond à ~ 1400 ° C). L'un des plus grands obstacles au succès commercial est le manque de substrats SIC appropriés pour les dispositifs de semi-conducteurs de puissance.

Pour le silicium, les substrats monocristallins (plaquettes) sont facilement disponibles et sont le fondement d'une production à grande échelle. Bien qu'une méthode de croissance des substrats SIC à grande région (méthode de Lely modifiée) ait été développée à la fin des années 1970, ces substrats ont souffert de défauts de micro.

Un micrope unique pénétrant une jonction PN haute tension peut détruire sa capacité de blocage. Au cours des trois dernières années, la densité des micropytes est passée de dizaines de milliers par mm² à des dizaines par mm². En conséquence, la taille des périphériques n'a été limitée qu'à quelques mm², avec des courants nominaux maximaux de seulement quelques ampères.

Des améliorations supplémentaires de la qualité du substrat sont essentielles avant que les dispositifs d'alimentation SIC puissent devenir commercialement viables.

Ⅸ. Progrès dans la plaquette SIC et la densité des micropytes

Les progrès récents montrent que le SIC pour les dispositifs optoélectroniques a atteint une qualité acceptable, le rendement de production et la fiabilité n'étaient plus entravés par les défauts matériels. Pour les dispositifs unipolaires à haute fréquence tels que les MOSFET et les diodes Schottky, la densité des micropytes est principalement sous contrôle, bien qu'elle affecte encore légèrement le rendement.

Pour les appareils à haute tension et haute puissance, les matériaux SIC ont encore besoin de deux années de développement supplémentaires pour réduire davantage la densité des défauts. Malgré les défis actuels, il ne fait aucun doute que le SIC est l'un des matériaux semi-conducteurs les plus prometteurs pour le 21e siècle.

Ⅹ. Produits connexes

Gauche SIC 12 pouces 300 mm Silicon Carbure Wafer Condumve Dummy Grade N-Type Research Grade