Perangkat SiC di Perempatan Jalan: Kemajuan Cepat di Tengah Tantangan Teknis yang Berlanjut di Industri Semikonduktor Generasi Berikutnya

ⅠKarbida Silikon (SiC)

Karena sifat kimiawi yang stabil, konduktivitas termal yang tinggi, koefisien ekspansi termal yang rendah, dan ketahanan aus yang sangat baik,silikon karbida (SiC) memiliki aplikasi jauh di luar penggunaan tradisional sebagai abrasifSebagai contoh, bubuk SiC dapat diterapkan pada permukaan dalam turbin impeller atau silinder liner melalui proses khusus untuk meningkatkan ketahanan haus dan memperpanjang umur layanan oleh 1 sampai 2 kali.Bahan tahan api berkualitas tinggi yang terbuat dari SiC menunjukkan ketahanan terhadap kelelahan termal yang sangat baik, volume yang lebih kecil, berat yang lebih ringan, dan kekuatan mekanik yang tinggi, yang menghasilkan manfaat penghematan energi yang signifikan.

 

Karbida silikon kelas rendah (mengandung sekitar 85% SiC) berfungsi sebagai deoksidasi yang sangat baik dalam pembuatan baja, mempercepat proses peleburan, memudahkan kontrol komposisi kimia,dan meningkatkan kualitas baja secara keseluruhanSelain itu, SiC banyak digunakan dalam pembuatan elemen pemanasan silikon karbida (tongkat SiC).

 

Karbida silikon adalah bahan yang sangat keras, dengan kekerasan Mohs 9,5 ̊sekund hanya untuk berlian (10).Ini memiliki konduktivitas termal yang sangat baik dan merupakan semikonduktor dengan ketahanan oksidasi yang luar biasa pada suhu tinggi.

 

 

---

 

Ⅱ. Keuntungan dari Silicon Carbide Devices

Karbida silikon (SiC) saat ini merupakan bahan semikonduktor broad-bandgap (WBG) yang paling matang yang sedang dikembangkan.Negara-negara di seluruh dunia memberikan penekanan besar pada penelitian SiC dan telah menginvestasikan sumber daya yang substansial untuk mempromosikan kemajuan.

 

Amerika Serikat, Eropa, Jepang, dan negara-negara lain telah menetapkan strategi pengembangan tingkat nasional untuk SiC.Pemain utama di industri elektronik global juga telah berinvestasi besar dalam pengembangan perangkat semikonduktor SiC.

 

Dibandingkan dengan perangkat berbasis silikon konvensional, komponen berbasis SiC menawarkan keuntungan berikut:

 

1. Kapasitas Tegangan Tinggi

Perangkat silikon karbida tahan tegangan hingga 10 kali lebih besar daripada perangkat silikon yang setara.Transistor efek medan (FET) berbasis SiC dapat beroperasi pada puluhan kilovolt sambil mempertahankan resistensi pada keadaan yang dapat dikelola.

 

2. Kinerja Frekuensi Tinggi

(Keterangan spesifik tidak diberikan dalam teks asli, tetapi dapat dilengkapi jika diperlukan.)

 

3Operasi suhu tinggi.

Dengan perangkat Si konvensional mendekati batas kinerja teoritis mereka, perangkat daya SiC dipandang sebagai kandidat yang ideal karena tegangan pemecahan yang tinggi, kerugian switching yang rendah,dan efisiensi yang lebih tinggi.

 

Namun, adopsi perangkat daya SiC secara luas tergantung pada keseimbangan antara kinerja dan biaya, serta kemampuan untuk memenuhi tuntutan tinggi dari proses manufaktur canggih.

 

 

Saat ini, perangkat SiC bertenaga rendah telah beralih dari penelitian laboratorium ke produksi komersial.Wafer SiC tetap relatif mahal dan menderita kepadatan cacat yang lebih tinggi dibandingkan dengan bahan semikonduktor tradisional.

 

---

 

ⅢPerangkat SiC MOS yang Paling Banyak Ditonton

1. SiC-MOSFET

SiC-MOSFET (Silicon Carbide Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) saat ini adalah perangkat elektronik daya yang paling intensif dipelajari dalam sistem bahan SiC.Terobosan penting telah dilakukan oleh perusahaan terkemuka seperti Cree (AS) dan ROHM (Jepang).

 

Dalam struktur SiC-MOSFET yang khas, kedua daerah sumber N + dan sumur P terbentuk menggunakan implan ion, diikuti dengan penggilingan pada suhu tinggi (~ 1700 ° C) untuk mengaktifkan dopan.Salah satu proses penting dalam pembuatan SiC-MOSFET adalah pembentukan lapisan gate oxideMengingat bahwa silikon karbida terdiri dari atom Si dan C, pertumbuhan dielektrik gerbang membutuhkan teknik pertumbuhan oksida khusus.

 

Struktur parit vs Struktur datar

Arsitektur SiC-MOSFET tipe parit memaksimalkan keuntungan kinerja bahan SiC dibandingkan desain planar tradisional. Struktur ini memungkinkan kepadatan arus yang lebih tinggi, resistensi on yang lebih rendah,dan distribusi medan listrik yang lebih baik.

 

 

 

---

2Keuntungan dari SiC-MOSFET

IGBT silikon konvensional biasanya beroperasi di bawah 20 kHz. Karena keterbatasan material intrinsik, operasi tegangan tinggi dan frekuensi tinggi sulit dicapai dengan perangkat berbasis silikon.

 

Sebaliknya, SiC-MOSFETs sangat cocok untuk berbagai aplikasi tegangan dari 600 V hingga lebih dari 10 kV dan menunjukkan karakteristik switching yang sangat baik sebagai perangkat unipolar.

Dibandingkan dengan IGBT silikon, SiC-MOSFET menawarkan:

• arus ekor nol saat beralih,
• Rugi switching yang lebih rendah,
• Frekuensi operasi yang jauh lebih tinggi.

Sebagai contoh, modul SiC-MOSFET 20 kHz dapat menunjukkan setengah kerugian daya dari modul IGBT silikon 3 kHz.menyoroti keuntungan efisiensi dan kinerja frekuensi tinggi.

 

Selain itu, dioda tubuh dalam SiC-MOSFET memiliki karakteristik pemulihan terbalik yang sangat cepat, yang menampilkan:

• Waktu pemulihan terbalik yang sangat pendek (trr),
• Biaya pemulihan terbalik yang sangat rendah (Qrr).

Sebagai contoh, pada arus dan tegangan nominal yang sama (misalnya, 900 V), Qrr dari dioda tubuh SiC-MOSFET adalah hanya 5% dari MOSFET berbasis silikon.Hal ini sangat bermanfaat untuk sirkuit tipe jembatan (seperti konverter resonan LLC yang beroperasi di atas resonansi), karena:

• Mengurangi persyaratan waktu mati,
• Meminimalkan kerugian dan kebisingan dari pemulihan dioda,
• Memungkinkan frekuensi switching yang lebih tinggi dengan efisiensi yang ditingkatkan.

---

3. Aplikasi SiC-MOSFET

Modul SiC-MOSFET menunjukkan keuntungan yang substansial dalam sistem energi dengan daya menengah hingga tinggi, termasuk:

• Inverter fotovoltaik (PV),
• Konverter tenaga angin,
• Kendaraan listrik (EV),
• Sistem traksi kereta api.

Berkat atribut tegangan tinggi, frekuensi tinggi, dan efisiensi tinggi, perangkat SiC memungkinkan terobosan dalam desain powertrain EV,di mana perangkat silikon tradisional telah mencapai kemacetan kinerja.

 

Contoh-contoh yang menonjol meliputi:

• DENSO dan Toyota, yang bersama-sama mengembangkan unit kontrol daya (PCU) untuk kendaraan listrik hibrida (HEV) dan kendaraan listrik baterai (EV) yang menggunakan modul SiC-MOSFET.Sistem ini mencapai pengurangan 5x dalam volume.
• Mitsubishi Electric, yang mengembangkan sistem penggerak motor EV berbasis SiC-MOSFET dengan motor dan inverter yang terintegrasi sepenuhnya, mencapai miniaturisasi dan integrasi sistem.

Menurut proyeksi, modul SiC-MOSFET diperkirakan akan diadopsi secara luas di kendaraan listrik secara global antara 2018 dan 2020,sebuah tren yang terus berkembang seiring perkembangan teknologi dan penurunan biaya.

---

 

ⅣDioda Schottky Karbida Silikon (SiC SBD)

1. Struktur Perangkat

Dioda Schottky karbida silikon mengadopsi struktur Junction Barrier Schottky (JBS), yang secara efektif mengurangi arus kebocoran terbalik dan meningkatkan kemampuan blokiran tegangan tinggi.Struktur ini menggabungkan keuntungan dari penurunan tegangan maju rendah dan kecepatan switching tinggi.

2Keuntungan dari SiC Schottky Diode

Sebagai perangkat unipolar, dioda SiC Schottky menawarkan karakteristik pemulihan terbalik yang unggul dibandingkan dengan dioda pemulihan cepat silikon tradisional (Si FRD).Saat beralih dari konduksi ke depan ke blokir terbalik, SiC dioda menunjukkan:

• arus pemulihan terbalik hampir nol: Waktu pemulihan terbalik biasanya kurang dari 20ns; misalnya, SBD SiC 600V/10A dapat mencapai kurang dari 10ns.
• Kemampuan frekuensi switching yang tinggi: Memungkinkan operasi pada frekuensi yang jauh lebih tinggi dengan efisiensi yang ditingkatkan.
• Koefisien suhu positif: Resistensi meningkat dengan suhu, membuat perangkat lebih cocok untuk operasi paralel dan meningkatkan keamanan dan keandalan sistem.
• Kinerja switching yang stabil di berbagai suhu: Karakteristik switching tetap konsisten di bawah tekanan termal.
• Kerugian switching minimal: Ideal untuk aplikasi efisiensi tinggi.

3. Aplikasi

Dioda SiC Schottky banyak digunakan dalam aplikasi daya menengah hingga tinggi, seperti:

• Sumber daya listrik switching (SMPS)
• Sirkuit koreksi faktor daya (PFC)
• Sumber daya listrik tak terputus (UPS)
• Inverter fotovoltaik dan sistem energi terbarukan

Mengganti Si FRD tradisional dengan SiC SBD dalam sirkuit PFC memungkinkan operasi pada frekuensi di atas 300kHz sambil mempertahankan efisiensi.Si FRD mengalami penurunan efisiensi yang signifikan di atas 100 kHzOperasi frekuensi yang lebih tinggi juga mengurangi ukuran komponen pasif seperti induktor, mengecilkan volume PCB secara keseluruhan lebih dari 30%.

---

 

ⅤBagaimana Karbida Silikon (SiC) Dianggap?

Karbida silikon secara luas diakui sebagai bahan semikonduktor bandgap lebar terobosan dan perwakilan terkemuka dari generasi ketiga semikonduktor.Ia dipuji karena sifat fisik dan listriknya yang luar biasa:

1Keunggulan material

• Bandgap lebar (3,09 eV): 2,8 kali lebih luas dari silikon, memungkinkan tegangan pemecahan yang lebih tinggi.
• Medan listrik pemecahan tinggi (3,2 MV / cm): 5,3 kali lebih tinggi daripada silikon, memungkinkan lapisan drift yang jauh lebih tipis.
• Konduktivitas termal tinggi (4,9 W/cm·K): 3,3 kali lebih tinggi dari silikon, memfasilitasi disipasi panas yang lebih baik.
• Ketahanan radiasi yang kuat dan kepadatan pembawa yang tinggi: Cocok untuk lingkungan ekstrim.

2. Kinerja Listrik

Perangkat SiC menawarkan kinerja yang jauh lebih baik dibandingkan dengan rekan silikon:

 

• Daerah drift dapat menjadi urutan besar lebih tipis daripada silikon untuk tegangan rating yang sama.
• Konsentrasi doping bisa dua kali lebih tinggi.
• Resistensi pada satuan area hingga 100 kali lebih rendah.
• Generasi panas berkurang secara signifikan, berkontribusi pada penurunan konduksi dan kehilangan switching.
• Frekuensi operasi biasanya lebih dari 10 kali lebih tinggi daripada perangkat silikon.
• Perangkat SiC dapat beroperasi pada suhu hingga 400 °C dan mampu menangani arus dan tegangan tinggi dalam paket yang kompak.

 

Kemajuan baru-baru ini telah memungkinkan untuk memproduksi IGBT berbasis SiC dan perangkat daya lainnya dengan resistensi on dan produksi panas yang jauh lebih rendah.SiC menjadi bahan ideal untuk generasi berikutnya elektronik tenaga.

 

 

---

 

ⅥStatus Pembangunan Saat Ini dari Perangkat Silicon Carbide (SiC)

1. Parameter teknis

Sebagai contoh, tegangan nominal dioda Schottky telah meningkat dari 250V menjadi lebih dari 1000V, sementara area chip telah berkurang.Suhu operasi telah meningkat menjadi 180°C, yang masih jauh dari maksimum teoretis 600 °C.Penurunan tegangan ke depan juga kurang ideal, dibandingkan dengan perangkat silikon, dengan beberapa dioda SiC menunjukkan penurunan tegangan ke depan setinggi 2V..

2Harga pasar

Perangkat SiC adalah sekitar5 sampai 6 kali lebih mahaldibandingkan dengan perangkat berbasis silikon yang setara.

---

 

ⅦTantangan dalam Pengembangan Perangkat SiC

Berdasarkan berbagai laporan, tantangan utama tidak terletak pada prinsip perangkat atau desain struktural, yang umumnya dapat diselesaikan, tetapi dalam proses pembuatan.

1. Kecacatan Mikrostruktur dalam Wafer SiC

Cacat utama adalah mikropipa, yang terlihat bahkan dengan mata telanjang. Sampai cacat ini sepenuhnya dihilangkan dalam pertumbuhan kristal, sulit untuk menggunakan SiC untuk perangkat elektronik bertenaga tinggi.Sementara wafer berkualitas tinggi telah mengurangi kepadatan mikro-pipa menjadi kurang dari 15 cm−2, aplikasi industri membutuhkan wafer dengan diameter lebih dari 100 mm dengan kepadatan mikro pipa di bawah 0,5 cm−2.

2. Efisiensi rendah dari pertumbuhan epitaxial

SiC homoepitaxy biasanya dilakukan melalui pengendapan uap kimia (CVD) pada suhu di atas 1500 ° C. Karena masalah sublimasi, suhu tidak dapat melebihi 1800 ° C, yang menghasilkan tingkat pertumbuhan yang rendah.Sementara epitaxy fase cair memungkinkan suhu yang lebih rendah dan tingkat pertumbuhan yang lebih tinggi, hasil tetap rendah.

3. Tantangan dalam Proses Doping

Doping difusi konvensional tidak cocok untuk SiC karena suhu difusi yang tinggi, yang mengorbankan kemampuan penyamaran lapisan SiO2 dan stabilitas SiC itu sendiri.Diperlukan implan ion, terutama untuk doping tipe p menggunakan aluminium.

 

Namun, ion aluminium menyebabkan kerusakan kisi yang signifikan dan aktivasi yang buruk, yang membutuhkan implantasi pada suhu substrat yang tinggi diikuti oleh penggilingan suhu tinggi.Hal ini dapat menyebabkan dekomposisi permukaanOptimasi pemilihan dopan, suhu pengeringan, dan parameter proses masih berlangsung.

4. Kesulitan Membentuk Kontak Ohmic

Membuat kontak ohmic dengan resistivitas kontak di bawah 10−5 Ω·cm2 sangat penting.Elektrod komposit seperti Al/Ni/W/Au dapat meningkatkan stabilitas termal hingga 600°C selama 100 jam, tetapi resistivitas kontak tetap tinggi (~10−3 Ω·cm2), sehingga kontak ohmic yang dapat diandalkan sulit dicapai.

5Ketahanan panas dari bahan bantu

Meskipun chip SiC dapat beroperasi pada suhu 600 ° C, bahan pendukung seperti elektroda, solder, paket, dan isolasi sering tidak dapat menahan suhu tinggi seperti itu,membatasi kinerja sistem secara keseluruhan.

 

Catatan: Ini hanya contoh terpilih. Banyak tantangan manufaktur lainnya, seperti etching parit, pasivasi ujung tepi,dan keandalan antarmuka gate oxide di SiC MOSFETs masih kurang solusi yang idealIndustri belum mencapai konsensus pada beberapa masalah ini, yang secara signifikan menghambat pengembangan perangkat daya SiC yang cepat.

 

 

---

 

Ⅷ. Mengapa Perangkat SiC Belum Banyak Digunakan

Keuntungan dari perangkat SiC telah diakui sejak tahun 1960-an. Namun, adopsi luas telah tertunda karena banyak tantangan teknis, terutama dalam manufaktur.aplikasi industri utama SiC tetap sebagai abrasif (karborundum).

 

SiC tidak meleleh di bawah tekanan yang terkontrol tetapi sublimasi pada sekitar 2500 ° C, yang berarti pertumbuhan kristal massal harus dimulai dari fase uap,proses yang jauh lebih kompleks daripada pertumbuhan silikon (Si meleleh pada ~ 1400 °C)Salah satu hambatan terbesar untuk kesuksesan komersial adalah kurangnya substrat SiC yang cocok untuk perangkat semikonduktor daya.

 

Untuk silikon, substrat kristal tunggal (wafer) tersedia dengan mudah dan merupakan dasar untuk produksi skala besar.Meskipun metode untuk menanam substrat SiC luas (metode Lely yang dimodifikasi) dikembangkan pada akhir 1970-an, substrat ini menderita cacat mikro.

 

Satu mikropipa yang menembus persimpangan PN tegangan tinggi dapat menghancurkan kemampuan pemblokirannya.kepadatan mikropaipe telah turun dari puluhan ribu per mm2 menjadi puluhan per mm2Akibatnya, ukuran perangkat terbatas hanya beberapa mm2, dengan arus nominal maksimum hanya beberapa ampere.

 

Peningkatan kualitas substrat lebih lanjut sangat penting sebelum perangkat daya SiC dapat menjadi komersial.

 

---

ⅨKemajuan dalam Wafer SiC dan Densitas Mikropipe

Kemajuan terbaru menunjukkan bahwa SiC untuk perangkat optoelektronik telah mencapai kualitas yang dapat diterima, dengan hasil produksi dan keandalan tidak lagi terhambat oleh cacat material.Untuk perangkat unipolar frekuensi tinggi seperti MOSFET dan dioda Schottky, kepadatan mikropaipe sebagian besar terkendali, meskipun masih sedikit mempengaruhi hasil.

 

Untuk perangkat tegangan tinggi dan daya tinggi, bahan SiC masih membutuhkan dua tahun pengembangan untuk mengurangi kepadatan cacat lebih lanjut.tidak ada keraguan bahwa SiC adalah salah satu bahan semikonduktor paling menjanjikan untuk abad ke-21.

 

 

Ⅹ. Produk terkait

 

Wafer SiC 12 inci Wafer Karbida Silikon 300mm Wafer Dummy Konduktif Kelas N-Tipe Kelas Penelitian