Halvleder av silisiumkarbid

Silisiumkarbid (SiC) er en avansert halvleder som overvinner mange av begrensningene som finnes i tradisjonelle silisiumkomponenter. Med tre ganger bredere båndgap enn silisium og bedre varmeledningsevne er SiC-enheter ideelle for håndtering av høyere spenninger og temperaturer enn sine motstykker av silisium.

Denne artikkelen gir en innføring i de grunnleggende egenskapene og fordelene ved SiC, som har bidratt til at det har blitt så populært i kraftelektronikk. Vi gjennomgår ulike epitaksiale krystallvekstteknikker samt fysisk karakterisering av de dyrkede lagene.

Båndgap

Silisiumkarbid har et bredt båndgap som gjør det ideelt for svitsjeapplikasjoner for strømkonvertering, slik at det kan håndtere høyere spenninger, strømmer og temperaturer enn typiske silisiumbaserte halvledere - noe som fører til mindre konstruksjoner med reduserte systemkostnader.

Et materiales båndgap refererer til energien som kreves for at elektroner skal kunne bevege seg fra valensbåndene til atomene og inn i ledningsbåndene til de samme atomene. Materialer med bredt båndgap fungerer som ledere, mens materialer med smalere båndgap fungerer som isolatorer. Silisiumkarbid har et tre ganger større båndgap enn silisium, noe som gjør det til et utrolig effektivt halvledermateriale.

Materialer med bredt båndgap er ikke avhengige av høye spenninger for å aktivere termisk energi, men kan i stedet fungere ved mye høyere temperaturer - opptil 300 grader C, sammenlignet med silisiumets maksimumsgrense på 175 grader C.

Silisiumkarbidets båndgap kan også gi bilindustrien flere fordeler, redusere systemkostnadene samtidig som effektiviteten forbedres og aktive kjølesystemer som øker vekten og kompleksiteten i elbiler, reduseres. Integrering av silisiumkarbid i bryterkretser for kraftkonvertering krever unik ekspertise, ettersom det må dimensjoneres og konfigureres riktig i henhold til spesifikasjonene for applikasjonens ytelse. Det kreves også en helhetlig tilnærming når man vurderer avveininger mellom kjølekostnader og materialkostnadsfordeler og ytelsesfordeler ved silisiumkarbid.

Sammenbrudd feltstyrke

Silisiumkarbid (SiC) er et innovativt halvledermateriale med mange fordeler for kraftelektronikkapplikasjoner, for eksempel høy blokkeringsspenning, raske koblingstider og reduserte tap. SiC-baserte enheter har også høyere feltstyrke enn silisiumbaserte enheter, noe som gjør det mulig for konstruktører å øke strømflyten ved gitte enhetsstørrelser.

Halvlederes feltstyrke er direkte proporsjonal med energigapet, som avgjør om de fungerer som ledere eller isolatorer. I ledere kan elektroner passere fritt mellom valens- og ledningsbåndene, mens det i isolatorer kreves betydelige mengder energi for å passere over barrierene mellom disse båndene. SiC har et eksepsjonelt bredt båndgap, noe som gjør det til en leder med høyere feltstyrke enn andre materialer, for eksempel Si.

SiC kan modifiseres ved å dopes med urenheter som aluminium, bor, gallium eller nitrogen. De elektriske egenskapene kan deretter skreddersys ved å endre den kjemiske sammensetningen med dopingmidler (urenheter). Dopingen kan få SiC til å oppføre seg som en isolator ved å tilsette disse elementene, eller få det til å oppføre seg som en halvleder ved å tilsette nitrogen eller fosfor - avhengig av konsentrasjonen og den romlige fordelingen av dopingstoffene, som er avgjørende for ytelsen i enheter.

Temperatur

Halvledere av silisiumkarbid (SiC) har en rekke viktige fordeler for kraftelektronikkapplikasjoner, blant annet høy gjennombruddsspenning, raskere koblingshastigheter, lavere tap og strålingsmotstand - noe som gjør dem egnet for mange design og design med reduserte kjølebehov på grunn av drift ved høyere temperaturer. SiC-halvledernes evne til å operere ved høye temperaturer betyr også redusert kjølebehov, noe som resulterer i mindre og lettere enheter.

SiC er et halvledende materiale som kan dopes med nitrogen og fosfor for å lage en halvleder av n-typen, eller dopes med bor, aluminium eller gallium for å lage en halvleder av p-typen. Dette skaper et bredt båndgap, noe som betyr at elektrisitet kan flyte mye lettere ved høyere temperaturer enn med silisium. SiC har dessuten en eksepsjonell varmeledningsevne, og temperaturbestandigheten strekker seg helt opp til 1600 °C.

SiC-halvledernes høye temperaturytelse gjør dem ideelle for bruksområder med høy strømstyrke, som for eksempel elbiler. Elbiler krever enorme strømstrømmer for å kunne akselerere, samtidig som de opererer i varme omgivelser som ørkener eller fjell - SiCs overlegne varmebestandighet gjør det til den perfekte løsningen.

Selv om SiC er sjeldent i naturen, kan det fremstilles syntetisk gjennom ulike prosesser. En av dem går ut på å løse opp karbon i smeltet silisium, en annen går ut på å varme opp leire blandet med pulverisert koks i en elektrisk ovn, eller det kan til og med dyrkes direkte på wafere ved hjelp av kjemiske dampavsetningsprosesser.

Doping

Doping av halvledere av silisiumkarbid innebærer å tilsette urenheter i krystallgitteret for å modifisere egenskapene og endre karakteristikken. Doping kan enten utføres via ioneimplantasjon eller in-situ-doping under krystallvekstprosessen. Selv om ioneimplantasjon er å foretrekke på grunn av den jevne dopingen over hele overflaten, krever in-situ-doping høyere aktiveringstemperaturer som kan forringe kanalmobiliteten til felteffekttransistorer av metalloksid-halvleder betydelig, noe som påvirker enhetens ytelse negativt.

Ionimplantasjon har også sine ulemper. Det kan være utfordrende å kontrollere dopingkonsentrasjonen nøyaktig, noe som kan føre til store variasjoner i halvlederbåndstrukturen samt mange overflatedefekter og redusert kvalitet på silisiumkarbidprodukter.

For å løse disse problemene har man utviklet en ny dopingmetode med en borforbindelse. Denne borforbindelsen påføres deretter direkte på silisiumkarbidoverflater ved hjelp av en løsning som inneholder metanol. Dette gir en jevnere fordeling av boratomer på overflaten, noe som fører til bedre kvalitet på silisiumkarbidprodukter og redusert aktiveringsglødetid (He et al. 2010; Tang et al. 2018; Sun et al. 2017b).