Для чего нужен карбид кремния в полупроводниковой промышленности?
Карбид кремния (SiC) имеет широкий спектр применений в полупроводниковой промышленности и электронике больших мощностей, например, в электромобилях, возобновляемых источниках энергии и др.
Карбид кремния (SiC) – это сложный полупроводник, состоящий из кремния (Si) и углерода (C). Он может быть легирован азотом или фосфором, а также бериллием, бором, алюминием или галлием. Кроме того, карбид кремния известен как материал с широкой запрещенной энергетической зоной, используемый в полупроводниковой промышленности, и может работать при высоких температурах и напряжениях.
Пластины из SiC изготавливаются путем резки монокристалла либо алмазной проволочной пилой, либо лазером. Он обладает множеством преимуществ в области силовой электроники по сравнению с обычным кремнием, как указано ниже:
Теплопроводность в 3 раза выше по сравнению с Si; Поле пробоя в 10 раз выше по сравнению с Si; Энергетическая щель в 3 раза выше по сравнению с Si.
Немецкая компания Semikron Danfoss подчеркивает преимущества использования SiC перед Si, поскольку он демонстрирует гораздо больший энергетический разрыв между валентной зоной и зоной проводимости, что приводит к сравнительно меньшим потерям при прямом включении и переключении, более высоким допустимым температурам кристалла и лучшей теплопроводности.
Одним из разработчиков устройств с использованием SiC является немецкий производитель Infineon. В 2001 году компания представила первые в мире диоды Шоттки на основе карбида кремния, а в 2006 году – первые силовые модули на основе карбида кремния. В настоящее время Infineon продолжает заниматься устройствами с использованием SiC, представив в 2017 году самый инновационный в мире МОП-транзистор CoolSiC™.
Еще одним важным игроком является японская компания ROHM Semiconductor, которая начала свои фундаментальные исследования в области силовых устройств из карбида кремния в период с 2000 по 2002 год. В 2009 году SiCrystal присоединилась к ROHM для совместной разработки проектов, а в 2010 году они запустили серийное производство МОП-транзисторов.
В этой статье мы опишем две полупроводниковые структуры: первую – структуру планарного типа и вторую – структуру с канавками, упомянув о некоторых различиях между обеими технологиями.
Что такое планарная технология и кто ее использует?
Планарная технология – это производственный процесс, используемый в полупроводниковой промышленности для создания отдельных компонентов транзистора и, в свою очередь, для соединения этих транзисторов. Это основной процесс, с помощью которого создаются кремниевые интегральные схемы, и наиболее распространенный метод получения переходов при производстве полупроводниковых приборов. В этом процессе используются методы пассивации поверхности и термического окисления.
В планарной структуре МОП-транзисторов затвор и область канала расположены на поверхности полупроводника, как показано на рисунке 1.
Среди компаний, производящих планарные полупроводники, можно выделить ABB, onsemi и Navitas Semiconductor.
Рисунок 1: Поперечное сечение планарной технологии SPT+ IGBT от ABB
Компания ABB предлагает технологию биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), которая обеспечивает значительно меньшие потери и увеличенную область безопасной работы по сравнению со стандартной технологией. Производительность IGBT была достигнута за счет сочетания улучшенной конструкции плоского элемента с уже хорошо оптимизированной вертикальной структурой.
3 января 2023 года компания onsemi представила свою линейку продуктов из карбида кремния EliteSiC. Одним из представителей этого семейства является МОП-транзистор EliteSiC (NTH4L028N170M1) с напряжением 1700 В, который подходит для коммутации. В этой линейке используется планарная технология, обеспечивающая оптимальную производительность при работе с приводом затвора напряжением 20 В, но она также хорошо работает с приводом затвора напряжением 18 В.
15 августа 2022 года компания Navitas Semiconductor объявила о приобретении GeneSiC Semiconductor, производителя карбида кремния, разработавшего устройство и технологический процесс на основе SiC. В портфолио GeneSiC есть несколько продуктов с новым поколением плоских SiC-МОП-транзисторов с траншейным расположением. Планарная технология с траншейным расположением обеспечивает самые низкие потери мощности во всем рабочем диапазоне и до 20% более низкое значение сток-исток открытого канала (RDS (ON) в реальных условиях эксплуатации при высоких температурах по сравнению с конкурентами.
Таблица 1. Ключевые игроки планарной технологии в среде силовой электроники в режиме N-канального расширения
Что такое технология формирования канавок (trench-технология) и кто ее использует?
Как и в случае с технологией trench IGBT, в trench-технологии МОП-транзисторов изолированные пластины затвора и область канала расположены вертикально. В структуре с канавками на поверхности пластины вырезаны углубления, в которые встроены электроды.
Структура с канавками включает в себя несколько технологических процессов. Один из них был разработан компанией Bosch. В ней используется глубокое реактивное ионное травление (DRIE), которое позволяет создавать глубокие проплавления, отверстия с крутыми краями и канавки в пластинах. Существуют две основные технологии для высокоскоростного травления: криогенная и Bosch. Комбинируя оба этих процесса можно изготовить стенки под углом 90°, но иногда эти стенки слегка сужаются под углом около 88° или 92°.
Компания Bosch отмечает, что благодаря своим DRIE-технологиям она лидирует в производстве кремниевых микроэлектромеханических систем.
На рисунке 2 показано поперечное сечение канавок от Bosch.
Рисунок 2: Высокоточные канавки Bosch
К числу компаний, производящих модули силовой электроники, полупроводники или микроэлектромеханические системы со структурой с канавками, относятся ABB, Bosch, Infineon Technologies, Fuji Electric, Mitsubishi Electric Corporation, Semikron Danfoss и onsemi.
Производитель
Технология
Название продукта
Рыночная цель
АВВ
Планарная IGBT
Планарная IGBT технология
Электрическая тяга Электропередача постоянного тока Промышленные электроприводы
Navitas Semiconductor
(владелец GeneSiC)
Планарная SiC МОП
G3F GeneSiC МОП-транзистор с использованием планарной технологии
Источники питания для центров обработки данных с ИИ Встроенные зарядные устройства Быстрые зарядные устройства для электромобилей Солнечные системы / системы хранения энергии
Onsemi
Планарная SiC МОП
МОП-транзистор M1 Elite SiC нового семейства из карбида кремния, 1700 В
Солнечный инвертор Источники бесперебойного питания Сварочные установки Цифровые генераторы электроэнергии
Wolfspeed
Планарная SiC МОП
МОП-транзистор на основе карбида кремния, мощностью 200В 75Мом, с режимом N-канального расширения
Возобновляемые источники энергии Зарядное устройство для электромобилей Высоковольтные преобразователи постоянного тока Источники питания с переключаемым режимом питания