Полупроводник от силициев карбид

Силициевият карбид (SiC) е усъвършенстван полупроводник, който преодолява много от ограниченията, открити в традиционните силициеви устройства. С три пъти по-широка лента на пропускане от силиция и подобрена топлопроводимост SiC устройствата са идеални за работа с по-високи напрежения и температури от силициевите им аналози.

В тази статия ще бъдат представени основните свойства и предимства на SiC, които ускориха широката му популярност за приложения в силовата електроника. Ще разгледаме различни техники за епитаксиален растеж на кристали, както и физическо характеризиране на отгледаните слоеве.

Бандаж

Широката разделителна ивица на силициевия карбид го прави идеален за приложения за превключване при преобразуване на енергия, като му позволява да работи с по-високи напрежения, токове и температури от типичните полупроводници на силициева основа - което води до по-малки конструкции с намалени системни разходи.

Лентовата разделителна способност на всеки материал се отнася до енергията, необходима на електроните да преминат от валентните ленти на атомите в проводниковите ленти на същите атоми, като материалите с широка лентова разделителна способност действат като проводници, а тези с по-тясна - като изолатори; силициевият карбид се отличава с три пъти по-голяма лентова разделителна способност от тази на силиция, което го прави невероятно ефективен полупроводников материал.

Материалите с широка разделителна ивица не разчитат на високи напрежения за активиране на топлинната енергия; вместо това те могат да работят при много по-високи температури - до 300 градуса по Целзий в сравнение с максималната граница на силиция от 175 градуса по Целзий.

Лентовата разделителна способност на силициевия карбид може да осигури и редица предимства за автомобилните приложения, като намали разходите за системата, като същевременно подобри ефективността и намали активните охладителни системи, които увеличават теглото и сложността на електрическите превозни средства. Интегрирането на силициев карбид в комутационни вериги за преобразуване на енергия изисква уникален опит, тъй като той трябва да бъде правилно оразмерен и конфигуриран в съответствие със спецификациите за производителност на приложението; необходимо е също така да се възприеме цялостен подход при разглеждането на компромисите между разходите за охлаждане спрямо ползите от разходите за материали и предимствата на силициевия карбид по отношение на производителността.

Сила на полето на разбиване

Силициевият карбид (SiC) е иновативен полупроводников материал с многобройни предимства за приложения в силовата електроника, като високо блокиращо напрежение, бързо време за превключване и намалени загуби. Устройствата на базата на SiC имат също така по-висока сила на пробивното поле от тези на базата на силиций, което позволява на конструкторите да увеличат потока на тока при дадени размери на устройството.

Силата на пробивното поле на полупроводниците е пряко пропорционална на тяхната енергийна разлика, която определя дали те действат като проводници или изолатори. Проводниците позволяват на електроните да преминават свободно между валентната и проводниковата лента, докато за изолаторите са необходими значителни количества енергия, за да преминат през бариерите между тези ленти; SiC има изключително широка междина, което го прави проводник с повишена сила на пробивното поле в сравнение с други материали като Si.

SiC може да бъде модифициран чрез допиране с примеси, като алуминий, бор, галий или азот; електрическите му свойства могат да бъдат адаптирани чрез промяна на химическия му състав с допанти (примеси). Допирането може да накара SiC да се държи като изолатор чрез добавяне на тези елементи или да го накара да се държи като полупроводник чрез добавяне на азот или фосфор - в зависимост от концентрацията и пространственото разпределение на допантите е от ключово значение за работата му в устройствата; следователно концентрацията и разпределението му трябва да бъдат проверени, за да се гарантира, че няма вредни замърсители.

Температура

Полупроводниците от силициев карбид (SiC) осигуряват множество ключови предимства за приложения в силовата електроника, включително високо пробивно напрежение, по-високи скорости на превключване, по-ниски загуби и устойчивост на радиация - което ги прави подходящи за много проекти и конструкции с намалени изисквания за охлаждане поради работа при по-високи температури. Способността на SiC полупроводниците да работят при по-високи температури означава и намалени нужди от охлаждане, което води до по-малки и по-леки устройства.

SiC е полупроводников материал, който може да бъде легиран с азот и фосфор, за да се получи полупроводник от n-тип, или легиран с бор, алуминий или галий, за да се получи полупроводник от p-тип. Това създава широк диапазон на пропускане, което означава, че електричеството може да протича много по-лесно при по-високи температури, отколкото при силиция. Освен това топлопроводимостта на SiC е изключителна; температурната му устойчивост достига до 1600 градуса по Целзий.

Високотемпературните характеристики на SiC полупроводниците ги правят идеални за приложения, свързани с високи токове, като например електрически автомобили. Електрическите автомобили се нуждаят от огромни токови потоци, за да ускоряват, като същевременно работят в гореща среда като пустини или планини - отличната топлоустойчивост на SiC го прави идеалното решение.

Въпреки че SiC се среща рядко в природата, той може да бъде създаден синтетично чрез различни процеси. Един от вариантите включва разтваряне на въглерод в разтопен силиций; друг вариант включва нагряване на глина, смесена с прахообразен кокс, в електрическа пещ; или дори може да бъде отгледан директно върху пластини чрез процеси на химическо отлагане на пари.

Допинг

Допирането на полупроводници от силициев карбид включва добавяне на примеси в кристалната им решетка, за да се модифицират свойствата им и да се променят характеристиките им. Допирането може да се осъществи или чрез йонна имплантация, или по време на процеса на растеж на кристала чрез in-situ допиране; въпреки че йонната имплантация е за предпочитане поради равномерното допиране по цялата повърхност, in-situ допирането изисква по-високи температури на активиране, които могат значително да влошат подвижността на каналите на полевите транзистори с металооксидни полупроводници, което се отразява негативно на работата на устройството.

Йонната имплантация има и своите недостатъци. Прецизният контрол на концентрацията на допанта може да бъде предизвикателство, което може да доведе до големи промени в лентовата структура на полупроводника, както и до множество повърхностни дефекти и понижено качество на продуктите от силициев карбид.

За да се преодолеят тези проблеми, е разработен нов метод за допиране, използващ съединение на бор. Това съединение на бора се нанася директно върху повърхността на силициев карбид с помощта на разтвор, съдържащ метанол; това позволява по-равномерно разпределение на атомите на бора по повърхността му, което води до подобряване на качеството на продуктите от силициев карбид и намаляване на времето за отгряване на активацията (He et al. 2010; Tang et al. 2018; Sun et al. 2017b).