Поскольку энергетическая электроника, электромобили, системы возобновляемой энергии и высокочастотные коммуникационные технологии продолжают развиваться,Кремниевый карбид (SiC) стал одним из самых важных полупроводниковых материалов в промышленностиПо сравнению с обычным кремниевым, SiC предлагает превосходную теплопроводность, более высокую прочность распада электрического поля, более низкие потери переключения и отличные высокотемпературные характеристики.

В зависимости от их электрических свойств, SiC-субстраты обычно классифицируются в две основные категории:

• Проводящие SiC-волатки
• Полуизоляционные (SI) SiC-вофли

Хотя оба основаны на одной и той же кристаллической структуре и составе материала, они служат принципиально разным применениям.Понимание их различий имеет важное значение для выбора подходящего подложки для силовых устройств, радиочастотную электронику и системы связи следующего поколения.

Что такое проводящая пластинка Си-Си-Си?

ПроводящийВафли с Си-СиОни намеренно допируются во время роста кристаллов, чтобы обеспечить контролируемый уровень электропроводности.

Наиболее распространенными проводящими субстратами SiC являются:

• SiC N-типа (допированный азотом)
• SiC P-типа (допированный алюминием)

Среди них на коммерческом рынке доминируют пластины N-type 4H-SiC.

Типичные электрические характеристики

Поскольку проводящие подложки позволяют потоку течения через вафлю, они идеально подходят для вертикальных конструкций устройств питания.

Что такое полуизоляционная пластинка Си-Си-Си?

Полуизоляционные пластинки SiC спроектированы с чрезвычайно высоким электрическим сопротивлением.

Вместо того, чтобы вводить поверхностные донорские допанты, производители кристаллов вводят механизмы компенсации посредством:

• Допинг ванадием
• Глубокая инженерная работа по дефектам
• Контроль роста кристаллов высокой чистоты

Эти методы подавляют свободные носители и резко увеличивают сопротивляемость.

Типичные электрические характеристики

Поскольку поток тока эффективно блокируется, полуизоляционный СиС обеспечивает отличную электрическую изоляцию.

Почему электрическое сопротивление имеет значение?

Электрическое сопротивление определяет, насколько легко ток может протекать через полупроводниковую подложку.

Проводящий Си-Си

Низкое сопротивление позволяет:

• Проведение тока
• Архитектура вертикальных устройств
• Эффективное переключение мощности

Полуизоляционный СиК

Высокое сопротивление позволяет:

• Электрическая изоляция
• Уменьшенная паразитарная емкость
• Улучшенная целостность RF-сигнала
• Убытки нижних подложков

Это различие является основной причиной того, что эти два типа подложки используются в разных отраслях промышленности.

Кристаллическая структура: похожа, но не идентична

Как проводящие, так и полуизоляционные пластинки обычно изготавливаются с использованием:

4H-SiC

Характеристики:

• Широкий диапазон (3,26 eV)
• Высокая мобильность электронов
• Высокое разрывное напряжение
• Отличная теплопроводность

Однако их допинг-стратегии существенно отличаются.

Проводящий Си-Си

Обычно допируется:

• Азот (N)
• Фосфор (P)
• Алюминий (Al)

Полуизоляционный СиК

Обычно компенсируется:

• Ванадий (V)
• Глубокие ловушки
• Механизмы компенсации недостатков

Кристаллическая решетка остается такой же, но электрическое поведение резко меняется.

Применение проводящих пластин SiC

Проводящие SiC-субстраты составляют основу современной силовой электроники.

Мощные MOSFET

SiC MOSFETs предлагают:

• Более низкие потери проводимости
• Более быстрые скорости переключения
• Более высокая эффективность

Приложения включают:

• Электромобили
• Системы быстрой зарядки
• Инверторы солнечных батарей

Диоды барьера Шоттки (SBD)

В СБД SiC предусматривается:

• Низкое падение напряжения вперед
• Работа при высоких температурах
• Минимальные убытки от обратного возврата

Промышленные энергомодули

Проводящий СиК широко используется в:

• Моторные приводы
• Железнодорожные тяговые системы
• Оборудование умных сетей

Применение полуизоляционных пластин SiC

Полуизоляционный SiC в основном используется в радиочастотной и микроволновой электронике.

Устройства для радиочастотных передач GaN на SiC

Эпитаксиальные слои галлиевого нитрида обычно выращиваются на полуизолирующих субстратах SiC.

Приложения включают:

• Базовые станции 5G
• Радарные системы
• Спутниковая связь

Электроника микроволновой

Высокая сопротивляемость SI-SiC минимизирует потерю сигнала, связанную с субстратом.

Это важно для:

• Усилители высокочастотные
• Радиочастотные переключатели
• Интегрированные микроволновые схемы

Аэрокосмическая промышленность и оборона

Полуизоляционный СиК широко используется в:

• Радар с фазовым массивом
• Системы электронной войны
• Передовые коммуникационные платформы

Сравнение полуизоляционных и проводящих пластин SiC

Проблемы в производстве

Производство обоих типов подложки представляет собой значительные технические проблемы.

Проводимые проблемы СиС

• Дефекты микротруб
• Извержения базальной плоскости
• Контроль кристаллических нагрузок
• Большой диаметр, рост шариков

Проблемы с полуизоляцией SiC

• Однородность сопротивления
• Контроль концентрации ванадия
• Стабильность компенсации дефектов
• Последовательность производительности RF

По мере того, как диаметр пластины меняется с 6-дюймового до 12-дюймового формата, сохранение качества кристаллов становится все более сложным.

Тенденции рынка

В настоящее время промышленность SiC переживает быстрый рост, обусловленный электрификацией и передовыми коммуникациями.

Движущие факторы роста SiC

• Электромобили
• Возобновляемая энергия
• Системы хранения энергии
• Промышленная автоматизация

Движущие факторы роста полуизоляционных SiC

• Инфраструктура 5G
• Спутниковый интернет
• Оборонная электроника
• Миллиметроволновая связь

Несмотря на то, что проводящий SiC в настоящее время составляет большую часть объема пластин, спрос на полуизоляционные субстраты продолжает расти в высокочастотных приложениях.

Перспективы на будущее

Следующее поколение полупроводниковых технологий, вероятно, будет основываться как на проводящих, так и на полуизоляционных субстратах SiC.

Проводящий SiC продолжит обеспечивать более эффективные системы преобразования мощности, в то время как полуизоляционный SiC будет поддерживать растущую потребность в ультравысокочастотных коммуникациях и радиолокационных технологиях.

Ожидается, что достижения в области роста кристаллов, уменьшения дефектов и производства пластинок большого диаметра улучшат качество субстрата и снизят затраты на производство,ускорение внедрения SiC во многих отраслях.

Заключение

В то время как проводящие и полуизоляционные пластинки SiC имеют одну и ту же основу карбида кремния, их электрические характеристики приводят к совершенно разным применениям.

Проводящие пластинки SiC предназначены для силовой электроники, что позволяет эффективно передавать ток через вертикальные устройства, такие как MOSFET и диоды Шоттки.с другой стороны, обеспечивают исключительную электрическую изоляцию, что делает их идеальными для радиочастотных, микроволновых и устройств связи на основе GaN.

Понимание различий между этими двумя типами подложки имеет важное значение для инженеров, исследователей,и производителей устройств, стремящихся оптимизировать производительность в полупроводниковых приложениях следующего поколения.