Полупроводники с широкой запрещённой зоной: будущее технологий SiC и GaN

Автор: Farnell

За последние несколько десятилетий полупроводниковая промышленность добилась значительных успехов, тяготея к меньшим размерам и большей производительности. Материалы полупроводников с широкой запрещённой зоной (WBG), такие как карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN) представляют особый интерес, поскольку дают значительное улучшение производительности по сравнению с обычным кремнием, применяемым в настоящее время.

Хотя кремний является прекрасным универсальным полупроводником, его ограничения при работе с высокими напряжениями, температурами и частотами переключения научно доказаны. Поскольку рынок продолжает гнаться за большей мощностью, промышленность отказывается от кремния в пользу WBG-полупроводниковых материалов, подходящих для мощных применений.

Данная статья освещает основные преимущества использования WBG-полупроводников на основе карбида кремния и нитрида галлия, приводит обзор на передовые на текущий момент устройства и решения и объясняет, почему карбид кремния и нитрид галлия могут быть сильными и конкурентными кандидатами для будущей силовой электроники и системных применений.


Вступление

Свойства материалов с широкой запрещённой зоной позволяют устройствам работать при экстремальных температурах, избыточных удельных мощностях, повышенных напряжениях и более высоких частотах, что делает их идеальными для использования в будущих электронных системах. Карбид кремния и нитрид галлия – это специализированные WBG-полупроводниковые материалы, основанные на том, что для перемещения в этих материалах электронов из валентной зоны в зону проводимости требуется большое значение энергии. В случае карбид кремния значение составляет приблизительно 3,2 эВ; в случае нитрида галлия – 3,4 эВ, в то время как для кремния оно составляет 1,1 эВ. Физическое свойство в три раза более широкой запрещённой зоны приводит к более высокому напряжению, требуемому для пробоя, в некоторых применениях достигающему до 1700 вольт.

Существует прямая зависимость между запрещённой зоной и критической напряжённостью поля пробоя (электрического) проводника. Напряжённости полей пробоя нитрид галлия и карбид кремния приблизительно одинаковые – нитрид галлия может похвастать напряжённостью поля пробоя в размере 3,3 МВ/см, в то время как у карбида кремния напряжённость поля пробоя составляет 3,5 МВ/см. Напряжённость поля пробоя кремния – 0,3 МВ/см, что демонстрирует приблизительно в десять раз лучшую способность нитрида галлия и карбида кремния приблизительно поддерживать высокие напряжения. Такие напряжённости полей пробоя делают соединения значительно более приспособленными для работы с более высокими напряжениями и генерирования меньших токов утечки.

Высокая подвижность электронов и скорость их насыщения в WBG-полупроводниках позволяют работать при более высоких частотах. Нитрид галлия демонстрирует подвижность электронов 1500 см2/В•с, в то время как у кремния она составляет 1450 см2/В•с. У карбида кремния, однако, подвижность электронов ниже и достигает 900 см2/В•с, что делает их менее подходящими для применений высокоскоростной коммутации. Нитрид галлия с подвижностью электронов, в три раза большей, чем у карбида кремния, подходит для выполнения высокоскоростной коммутации.

Более высокая теплопроводность карбида кремния (5 Вт/см•К) по сравнению с теплопроводностью нитрида галлия (1,3 Вт/см•К) или кремния (1.5 Вт/см•К) означает, что устройства на основе карбида кремния превосходят устройства на основе нитрида галлия или кремния по теплопроводности и теоретически могут работать при большей удельной мощности. Более высокая теплопроводность вместе с широкой запрещённой зоной и высокой критической напряжённостью поля пробоя даёт полупроводникам карбида кремния преимущество в тех случаях, когда ключевой требуемой характеристикой устройства является высокая мощность. На рисунке 1 обобщённо представлены физические и электрические свойства полупроводниковых материалов карбида кремния и нитрида галлия.

Карбид кремния и нитрид галлия предназначены для различных установок в энергетике. Их различные характеристики определяют их индивидуальные применения. Нитрид галлия востребован в маломощных и высокочастотных применениях, в то время как карбид кремния используется в применениях с высокой мощностью и высоким напряжением.


Рис. 1. Характеристики материалов SiC и GaN в сравнении с кремнием


Преимущества

Несмотря на более высокую стоимость WBG-полупроводников по сравнению с устройствами на основе кремния, в конечном счёте они становятся более конкурентными, учитывая улучшенные производственные возможности и более широкое коммерческое применение. Физические и электрические свойства полупроводников карбида кремния и нитрида галлия позволяют устройствам работать при гораздо более высоких напряжениях, частотах и температурах, чем при использовании привычного кремния. Помимо улучшенных эксплуатационных качеств, среди преимуществ устройств на основе WBG отмечается:
  • Гораздо меньшая занимаемая площадь и масса по сравнению с аналогичными устройствами на базе кремния;
  • Сниженные требования к охлаждению и менее крупные пассивные элементы, что выражается в общем снижении стоимости системы;
  • Более высокая скорость работы благодаря более высокой частоте переключения;
  • Устранение потерь энергии, происходящих при преобразовании энергии;
  • Системы с меньшим энергопотреблением и стоимостью;
  • Увеличенный срок службы благодаря снижению потерь и тепловому напряжению;
  • Большая надёжность и большая производительность устройств в сравнении с их собратьями на основе кремния.


Устройства и Решения на основе карбида кремния:

Силовые устройства на основе карбида кремния развились из образцов-прототипов в доступные для приобретения продукты. Это видно по рынку, который сейчас предлагает различные силовые устройства на основе карбида кремния – от дискретных компонентов до силовых модулей. Сейчас можно найти диоды, полевые транзисторы с управляющим p-n переходом (JFET), биполярные транзисторы (BJT) и полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET), изготовленные из карбида кремния. Более того, эти устройства доступны с различными номинальными напряжениями от 600 В до 1,7 кВ и номинальными токами от 2,6 A до 325 А и выше. Кроме того, силовые устройства на основе карбида кремния сейчас производят некоторые производители, такие как Nexperia, Genesic, Infineon, ON Semiconductor, MICROCHIP, ROHM, STARPOWER, Ween Semiconductors, STMicroelectronics, Vishay, Wolfspeed и Littelfuse. В результате технология WBG развилась до того состояния, когда она считается перспективной заменой компонентам из кремния.

Диоды на основе карбида кремния – это в основном диоды Шоттки (также известные как диоды с барьером Шоттки, или SBD). Диоды Шоттки на основе карбида кремния предлагают более высокую коммутационную способность, производительность и удельная мощность при более низких стоимостях систем. Вдобавок эти диоды обеспечивают нулевое обратное восстановление, низкое падение напряжение в режиме прямого тока, стабильность тока, поддержку высокого импульсного напряжения, и положительный температурный коэффициент. Сейчас рынок предлагает широкий диапазон диодов на основе карбида кремния с напряжениями пробоя 650 В, 1200 В и 1700 В и номинальными выпрямленными постоянными токами (If) от 1 А до 370 А. Стандартные блоки – TO-247, TO-220 и SMD.

Полевые транзисторы (FET) на основе карбида кремния раскрывают новые применения при более высокой мощности и напряжении. В качестве прямой замены IGBT-транзисторов и кремниевых MOSFET-транзисторов, полевые транзисторы из карбида кремния демонстрируют работу с низким потерями при высоких температурах, низкое сопротивление в открытом состоянии на всём диапазоне температур и низкие потери при коммутации. MOSFET-транзисторы из карбида кремния, имея более высокие напряжения пробоя, лучшие показатели охлаждения и устойчивости к температуре, благодаря своим характеристикам могут изготавливаться физически компактными. IGBT-транзисторы (биполярные транзисторы с изолированным затвором) используются в первую очередь при коммутируемых напряжениях выше 600 В, но материалы на основе карбида кремния позволяют использовать MOSFET-транзисторы при напряжениях до 1700 В и более высоких токах. Также MOSFET-транзисторы на основе карбида кремния обладают значительно меньшими потерями при коммутации по сравнению с IGBT-транзисторами и работают при сравнительно более высоких частотах.

MOSFET-транзисторы на основе карбида кремния требуют специальных драйверы для управления затвором на основе карбида кремния для подачи отрицательного напряжения на затвор в закрытом положении MOSFET-транзисторов и обеспечения высокого импульсного тока заряда/разряда. Кроме того, они достаточно быстры для операций с затвором в наносекундном диапазоне. Особое внимание к конструкции драйвера затвора обеспечивает оптимальную производительность во время переключения переходов и крайне важно для максимизации этих неотъемлемых преимуществ MOSFET-транзисторов на основе карбида кремния. В новых конструкциях во всех областях преобразования энергии, включая преобразователи переменного тока в постоянный и преобразователи постоянного тока высокой мощности, всё чаще используются полевые транзисторы на основе карбида кремния.

Вдобавок к рынку дискретных компонентов, теперь потребитель может найти многочисленное множество силовых модулей и отладочных/макетных плат для различных применений (таких как электродвигатели) на основе карбида кремния.

Сейчас компании предлагают ассортимент для быстрого выбора под нужды клиента. Infineon, например, совершает революцию на рынке своим ассортиментом продуктов на основе карбида кремния и нитрида галлия. Линейка продуктов CoolSiC этой компании предлагает диоды, MOSFET-транзисторы, гибридные модули и отладочные платы на основе карбида кремния с превосходными характеристиками производительности. Этот ассортимент CoolSiC даёт возможности для создания крайне производительных и компактных конструкций систем, удовлетворяющих будущим требованиям более разумного и энергоэффективного генерирования, передачи и потребления.

Применение

Впервые WBG вышли на рынок в 1907 году в составе коммерческих светодиодов на основе карбида кремния, излучающих свет разного цвета. Современные полупроводниковые материалы на основе карбида кремния и нитрида галлия продемонстрировали замечательные характеристики в таких областях, как электромобили / гибридные электромобили, возобновляемая энергия и 5G, имея практические преимущества для удовлетворения запроса потребителя и промышленности. Среди других применений была силовая электроника на основе WBG, достигшая внушительной экономии энергии, включающая в себя серверы данных, адаптеры переменного тока, солнечные инверторы, источники питания, зарядные цепи и управление сетью. Кроме того, всесторонние преимущества WBG-материалов делают их идеальными кандидатами для силовой электроники в тяжёлых условиях, например, в военной, автомобильной, авиационной и космической отраслях.


Рис. 2. Технологическое позиционирование Si, SiC и GaN (изображение предоставлено Infineon)

На рисунке 2 показаны пересекающиеся приложения, в которых нашли применение кремния, карбида кремния и нитрида галлия, что обусловлено удельной мощностью, производительностью и стоимостью. Продукты на основе кремния, такие как MOSFET- или IGBT-транзисторы с суперпереходом, можно использовать в широком диапазоне напряжений (от единиц до нескольких сот вольт) и в различных классах мощности. Продукты на основе карбида кремния же идеально подходят для классов напряжения от 650 В и выше (выходя за рамки ограничений продуктов на основе кремния и достигая уровней мощности свыше 3 кВ), а устройства на основе нитрида галлия больше подходят для классов напряжения до 650 В. И карбид кремния, и нитрид галлия значительно лучше, чем кремний, по мере увеличения рабочей частоты. Выбор той или иной технологии обуславливают требования к применению и цели проекта. Кремниевые полупроводниковые элементы являются экономичным решением для большинства современных требований к энергоэффективности и удельной мощности, но в случае каких-либо особых требований к проекту, например, тепловых требований или требований к сверхвысокой удельной мощности, лучшим выбором являются устройства на основе карбида кремния и нитрида галлия.

Ожидается, что в будущем WBG-продукты станут ещё лучше и полностью заменят устройства на базе кремния. Однако ожидается, что внедрение карбида кремния в определённых применениях будет происходить несколько быстрее благодаря простоте его использования и относительной простоте перехода от MOSFET- и IGBT-транзисторов с суперпереходом.


Источник: Farnell


Поделиться: