Polprevodnik iz silicijevega karbida

Silicijev karbid (SiC) je napreden polprevodnik, ki premaguje številne omejitve tradicionalnih silicijevih naprav. Zaradi trikrat širše pasovne vrzeli kot pri siliciju in izboljšane toplotne prevodnosti so naprave SiC idealne za obdelavo višjih napetosti in temperatur kot njihove silicijeve primerjave.

V tem članku so predstavljene osnovne lastnosti in prednosti SiC, ki so pospešile njegovo široko priljubljenost pri uporabi v močnostni elektroniki. Pregledali bomo različne epitaksijske tehnike rasti kristalov in fizikalne karakteristike vzgojenih plasti.

Bandgap

Silicijev karbid je zaradi svoje široke pasovne vrzeli idealen za preklopne aplikacije za pretvorbo energije, saj lahko prenese višje napetosti, tokove in temperature kot tipični polprevodniki na osnovi silicija, kar omogoča manjše zasnove z nižjimi stroški sistema.

Pasovna vrzel katerega koli materiala se nanaša na energijo, ki jo elektroni potrebujejo za prehod iz valenčnih pasov atomov v prevodne pasove istih atomov, pri čemer materiali s široko pasovno vrzeljo delujejo kot prevodniki, tisti z ožjo pa kot izolatorji; silicijev karbid ima trikrat večjo pasovno vrzel kot silicij, zato je izjemno učinkovit polprevodniški material.

Materiali s široko pasovno vrzeljo niso odvisni od visokih napetosti za aktivacijo toplotne energije, temveč lahko delujejo pri veliko višjih temperaturah - do 300 stopinj C v primerjavi z največ 175 stopinjami C pri siliciju.

Pasovna vrzel silicijevega karbida lahko avtomobilskim aplikacijam zagotovi tudi več prednosti, saj zmanjša stroške sistema in hkrati izboljša učinkovitost ter zmanjša aktivne hladilne sisteme, ki povečujejo težo in zapletenost električnih vozil. Vključevanje silicijevega karbida v stikalna vezja za pretvorbo energije zahteva posebno strokovno znanje, saj ga je treba ustrezno dimenzionirati in konfigurirati glede na specifikacije zmogljivosti aplikacije; potreben je tudi celosten pristop pri obravnavi kompromisov med stroški hlajenja v primerjavi s stroški materiala in prednostmi zmogljivosti silicijevega karbida.

Moč polja razbitja

Silicijev karbid (SiC) je inovativen polprevodniški material z več prednostmi za aplikacije v močnostni elektroniki, kot so visoka blokirna napetost, hitri preklopni časi in manjše izgube. Naprave na osnovi SiC imajo tudi večje jakosti prebojnega polja kot naprave na osnovi silicija, kar oblikovalcem omogoča povečanje pretoka toka pri danih velikostih naprav.

Prelomna poljska jakost polprevodnikov je neposredno sorazmerna z njihovo energijsko vrzeljo, ki določa, ali delujejo kot prevodniki ali izolatorji. Prevodniki omogočajo elektronom, da prosto prehajajo med valenčnim in prevodnim pasom, medtem ko je pri izolatorjih potrebna velika količina energije, da preidejo te pregrade med pasovi; SiC ima izjemno široko pasovno vrzel, zaradi česar je podoben prevodniku z večjo močjo prebojnega polja kot drugi materiali, kot je Si.

SiC lahko modificiramo z dodajanjem nečistoč, kot so aluminij, bor, galij ali dušik; njegove električne lastnosti lahko nato prilagodimo s spreminjanjem kemične sestave z dodatki (nečistočami). Zaradi dodajanja teh elementov se lahko SiC obnaša kot izolator ali pa se z dodajanjem dušika ali fosforja obnaša kot polprevodnik - glede na koncentracijo in prostorsko porazdelitev dopantov je ključna njegova zmogljivost v napravah; zato je treba preveriti njegovo koncentracijo in porazdelitev, da se prepričamo, da v njem ni škodljivih onesnaževal.

Temperatura

Polprevodniki iz silicijevega karbida (SiC) zagotavljajo številne ključne prednosti za aplikacije močnostne elektronike, vključno z visoko prebojno napetostjo, hitrejšim preklopom, manjšimi izgubami in odpornostjo proti sevanju, zaradi česar so primerni za številne zasnove in izvedbe z manjšimi zahtevami po hlajenju zaradi delovanja pri višjih temperaturah. Sposobnost polprevodnikov SiC za delovanje pri višjih temperaturah pomeni tudi manjše potrebe po hlajenju, zaradi česar so naprave manjše in lažje.

SiC je polprevodniški material, ki ga je mogoče dopirati z dušikom in fosforjem, da nastane polprevodnik tipa n, ali dopirati z borom, aluminijem ali galijem, da nastane polprevodnik tipa p. Tako nastane široka pasovna vrzel, kar pomeni, da lahko elektrika pri višjih temperaturah teče veliko lažje kot pri siliciju. Poleg tega ima SiC izjemno toplotno prevodnost; njegova temperaturna odpornost sega do 1600 stopinj Celzija.

Polprevodniki SiC so zaradi svojih visokotemperaturnih lastnosti idealni za aplikacije z visokim tokom, kot so električni avtomobili. Električni avtomobili za pospeševanje potrebujejo velike tokove toka, hkrati pa delujejo v vročih okoljih, kot so puščave ali gore - zaradi svoje izjemne toplotne odpornosti je SiC odlična rešitev.

Čeprav je SiC v naravi redek, ga je mogoče ustvariti sintetično z različnimi postopki. Ena od možnosti je raztapljanje ogljika v staljenem siliciju, druga možnost je segrevanje gline, pomešane s koksom v prahu, v električni peči, lahko pa ga celo vzgojimo neposredno na ploščicah s postopki kemičnega nanašanja iz hlapov.

Doping

Dopiranje polprevodnikov iz silicijevega karbida vključuje dodajanje nečistoč v kristalno mrežo, da se spremenijo njegove lastnosti in značilnosti. Dopiranje se lahko izvede z ionsko implantacijo ali med procesom rasti kristalov z dopiranjem in situ; čeprav je ionska implantacija zaradi enakomernega dopiranja po celotni površini primernejša, pa dopiranje in situ zahteva višje aktivacijske temperature, ki lahko znatno poslabšajo gibljivost kanalov kovinsko-oksidno-polprevodniških tranzistorjev s poljskim učinkom, kar negativno vpliva na delovanje naprave.

Ionska implantacija ima tudi svoje pomanjkljivosti. Natančen nadzor koncentracije dopantov je lahko zahteven, kar lahko privede do velikih odstopanj polprevodniške pasovne strukture ter številnih površinskih napak in slabše kakovosti izdelkov iz silicijevega karbida.

Za odpravo teh težav je bila razvita nova metoda dopiranja z uporabo borove spojine. Ta borova spojina se nato nanese neposredno na površino silicijevega karbida z raztopino, ki vsebuje metanol; to omogoča bolj enakomerno porazdelitev borovih atomov po njegovi površini, kar vodi do boljše kakovosti izdelkov iz silicijevega karbida in krajšega aktivacijskega časa žarjenja (He et al. 2010; Tang et al. 2018; Sun et al. 2017b).