Полупроводниковый карбид кремния

Кремний хорошо известен как основной материал для производства полупроводников, но еще один материал может стать следующей большой вещью для энергетических приложений - карбид кремния.

Карбид кремния (SiC) обладает более высокими электрическими и тепловыми свойствами по сравнению с кремнием, значительно более высоким напряжением пробоя и более низким сопротивлением при включении, когда речь идет о высокоскоростных переключателях. Благодаря этим преимуществам SiC является более подходящим материалом, чем кремний, для решения подобных задач.

Преимущества

Полупроводники из карбида кремния используются во многих электронных устройствах, от электромобилей и солнечных энергетических систем до технологий 5G. Их отличительные тепловые и электрические характеристики делают их более экономичными по сравнению с кремниевыми аналогами, поэтому их популярность резко возросла с годами. Соответственно, вырос и спрос.

Полупроводники из карбида кремния имеют множество преимуществ в плане энергоэффективности, более высокой скорости переключения, уменьшения потерь в устройстве и повышенной устойчивости к высоким температурам и пробивным напряжениям по сравнению с кремниевыми аналогами. Кроме того, их более прочная конструкция позволяет им лучше противостоять суровым условиям окружающей среды; все это способствует тому, что они становятся популярным выбором для новых приложений, таких как зарядные станции для электромобилей и солнечные инверторы.

IGBT и биполярные транзисторы ранее были основными устройствами для силовой электроники, однако эти приборы имеют множество проблем, таких как ограниченная частота переключения и чрезмерное выделение тепла. Устройства SiC имеют более широкую полосу пропускания, что позволяет повысить частоту переключения и снизить сопротивление при включении, а также имеют более низкую температуру плавления, чем кремний, что означает, что они могут легко переносить высокие температуры.

В зависимости от области применения полупроводники из карбида кремния могут использоваться вместе с другими материалами, такими как полимеры и керамика, и поэтому должны проходить тщательную проверку на качество и безопасность - такие методы включают рентгенофлуоресцентное исследование и масс-спектрометрию тлеющего разряда (GDMS).

Приложения

Карбид кремния - впечатляющий материал, способный произвести революцию в силовой электронике. Являясь полупроводником с широкой полосой пропускания, карбид кремния обладает многочисленными преимуществами по сравнению с кремниевыми аналогами в плане обработки скачков напряжения, более быстрого времени переключения и меньших потерь в устройствах, а также устойчивости к высоким температурам - качества, которые делают его подходящим для электромобилей, промышленных приложений и солнечных инверторов.

Карбид кремния (SiC) - самый легкий и твердый керамический материал, обладающий превосходной теплопроводностью и химической стойкостью к кислотам и щелочам. Кроме того, SiC обеспечивает электроизоляцию в 10 раз выше, чем кремний, с чрезвычайно высокой напряженностью поля пробоя, в десять раз превышающей напряженность поля пробоя кремния, и при этом абсолютно нетоксичен.

Силовые устройства SiC стали незаменимым ресурсом в различных областях применения. От обеспечения прорыва в электромобильности до поддержки цифровизации в промышленности - эти силовые устройства доказали свою полезность в самых разных секторах и отраслях. От систем управления аккумуляторами и бортовых зарядных устройств до DC/DC-преобразователей - SiC-устройства быстро стали промышленным стандартом, помогая сделать жизнь более устойчивой и снизить стоимость зарядных станций.

Карбид кремния произвел революцию в силовой электронике благодаря своим уникальным физическим и электронным свойствам. Будучи одним из единственных широкозонных полупроводников с гексагональной кристаллической структурой (4H-SiC), карбид кремния является отличным материалом для высоковольтных силовых устройств, которые должны выдерживать жесткие условия окружающей среды и при этом иметь более высокую скорость переключения, низкие потери и даже могут использоваться на очень высоких частотах без ущерба для производительности и надежности. Потенциально этот материал может заменить существующие IGBT или биполярные транзисторы без какого-либо ущерба для производительности или надежности.

Производство

Карбид кремния (SiC) - чрезвычайно универсальный полупроводниковый материал. Он может быть сильно легирован азотом, фосфором, алюминием или галлием как n-типа, так и p-типа для достижения металлической проводимости и придания кристаллам чистого SiC характерного радужного блеска; в промышленных сортах часто встречаются примеси железа, которые изменяют его цвет от коричневого до черного.

Изолирующие свойства этого полупроводника обусловлены его кристаллической структурой. Его атомные слои создают плотное прилегание между валентной и проводящей полосами, что затрудняет движение электронов между слоями, и позволяет ему выдерживать почти в десять раз большие электрические поля, чем кремний.

Диоды Шоттки из карбида кремния отличаются пониженным сопротивлением включения и общим зарядом затвора, что делает их более эффективными и быстрыми по сравнению с кремниевыми аналогами - идеальное решение для энергоемких приложений, таких как силовые преобразователи и переключатели в электромобилях (EV) или системах возобновляемых источников энергии.

Производство полупроводников из карбида кремния - сложный процесс. Он включает в себя использование нескольких единиц оборудования для производства пластин с шероховатостью поверхности менее 1 микрона, а затем полировку жидкостью для химико-механической полировки (CMP) на войлочных или уретановых прокладках для удаления повреждений и окисления поверхности - этот этап, известный как химико-механическая полировка, крайне важен для подготовки поверхности подложек к эпитаксиальному росту и одновременного сохранения стабильности формы пластин.

Ценообразование

Карбид кремния применяется в различных формах и областях. От режущих инструментов и абразивов до полупроводников и даже полупрозрачного минерала муассанита - карбид кремния уже давно, с 1893 года, производится синтетическим путем на крупных производствах и встречается в природе. Будучи одновременно твердым и прочным материалом, он может выдерживать как высокие температуры, так и механические нагрузки, не разрушаясь.

Полупроводники на основе карбида кремния быстро развиваются на мировом рынке, поскольку предприятия ищут эффективные решения для управления питанием. Их уникальные тепловые и электрические свойства делают их популярными среди промышленных приложений; кроме того, их масштабируемость позволяет производителям снизить производственные затраты.

Allegro Microsystems - одна из таких компаний, которая расширяется, чтобы удовлетворить растущий спрос на полупроводники из карбида кремния. Будучи одним из лидеров в области решений для датчиков и питания для моторных приводов, Allegro расширяется, чтобы поддержать спрос.

Карбид кремния является неотъемлемым компонентом силовых полупроводников, которые становятся все более популярной частью зарядных устройств для электромобилей, бортовых систем зарядки EV, DC-DC преобразователей, ветряных турбин и фотоэлектрических инверторов в связи с ростом спроса на возобновляемые источники энергии. Среди других ключевых игроков - II-VI Coherent Corp., Semiconductor Components Industries LLC и WOLFSPEED INC. Использование карбида кремния в составе силовых полупроводников, по прогнозам, будет способствовать росту данного сегмента рынка.