Dispositivos SiC em uma encruzilhada: avanços rápidos em meio a desafios técnicos contínuos na indústria de semicondutores de próxima geração
May 28, 2025
Ⅰ. Carboneto de silício (sic)
Devido às suas propriedades químicas estáveis, alta condutividade térmica, baixo coeficiente de expansão térmica e excelente resistência ao desgaste, o carboneto de silício (SIC) tem aplicações muito além do seu uso tradicional como abrasivo. Por exemplo, o pó SiC pode ser aplicado às superfícies internas dos impulsores da turbina ou forros de cilindros por meio de processos especiais para melhorar a resistência ao desgaste e prolongar a vida útil do serviço em 1 a 2 vezes. Os materiais refratários de alta qualidade feitos de SiC exibem excelente resistência ao choque térmico, volume reduzido, peso mais leve e alta resistência mecânica, levando a benefícios significativos de economia de energia.
O carboneto de silício de baixo grau (contendo aproximadamente 85% sic) serve como um excelente desoxidador na fabricação de aço, acelerando o processo de fundição, facilitando o controle de composição química e melhorando a qualidade geral do aço. Além disso, o SiC é amplamente utilizado na fabricação de elementos de aquecimento de carboneto de silício (hastes SiC).
O carboneto de silício é um material extremamente difícil, com uma dureza MOHS de 9,5 - segundo apenas para diamante (10). Possui excelente condutividade térmica e é um semicondutor com excelente resistência a oxidação a temperaturas elevadas.
Ⅱ. Vantagens dos dispositivos de carboneto de silício
Atualmente, o carboneto de silício (SIC) é o material semicondutor de banda larga mais madura (WBG) em desenvolvimento. Os países ao redor do mundo colocam grande ênfase na pesquisa da SIC e investiram recursos substanciais para promover seu avanço.
Estados Unidos, Europa, Japão e outros estabeleceram estratégias de desenvolvimento em nível nacional para o SIC. Os principais players da indústria global de eletrônicos também investiram fortemente no desenvolvimento de dispositivos semicondutores do SIC.
Comparados com os dispositivos convencionais à base de silício, os componentes baseados em SIC oferecem as seguintes vantagens:
1 Capacidade de alta tensão
Os dispositivos de carboneto de silício suportam tensões até 10 vezes maiores que os dispositivos de silício equivalentes. Por exemplo, os diodos Sic Schottky podem suportar tensões de quebra de até 2400 V. Transistores de efeito de campo baseados em SIC (FETs) podem operar em dezenas de kilovolts, mantendo a resistência gerenciável no estado.
2. Desempenho de alta frequência
(Detalhes específicos não fornecidos no texto original, mas podem ser complementados, se necessário.)
3. Operação de alta temperatura
Com os dispositivos SI convencionais se aproximando de seus limites teóricos de desempenho, os dispositivos de energia SiC são vistos como candidatos ideais devido à sua alta tensão de ruptura, baixas perdas de comutação e eficiência superior.
No entanto, a ampla adoção de dispositivos de energia SiC depende do equilíbrio entre desempenho e custo, bem como a capacidade de atender às altas demandas de processos avançados de fabricação.
Atualmente, os dispositivos SiC de baixa potência passaram da pesquisa de laboratório para a produção comercial. No entanto, as bolachas SIC permanecem relativamente caras e sofrem de uma densidade de defeito mais alta em comparação com os materiais tradicionais de semicondutores.
Ⅲ. Os dispositivos SIC MOS mais amplamente observados
1. SIC-MOSFET
Atualmente, o SIC-Mosfet (transistor de efeito de campo de óxido de óxido de metal-semicondutor de silício) é atualmente o dispositivo eletrônico de energia mais intensamente pesquisado no sistema de materiais SiC. Avardes notáveis foram feitos por empresas líderes como Cree (EUA) e ROHM (Japão).
Em uma estrutura típica de SiC-MOSFET, a região de origem N+ e o poço P são formados usando implante de íons, seguido de recozimento em altas temperaturas (~ 1700 ° C) para ativar os dopantes. Um dos processos críticos na fabricação de SiC-MOSFET é a formação da camada de óxido de porta. Dado que o carboneto de silício consiste nos átomos de Si e C, o crescimento dos dielétricos da porta requer técnicas de crescimento de óxido especializado.
Estrutura da trincheira vs. estrutura plana
A arquitetura SIC-MOSFET do tipo Trench maximiza as vantagens de desempenho dos materiais SiC em relação aos projetos planares tradicionais. Essa estrutura permite maior densidade de corrente, menor resistência e melhor distribuição de campo elétrico.
2 Vantagens de Sic-Mosfets
Os IGBTs de silício convencionais geralmente operam abaixo de 20 kHz. Devido a limitações intrínsecas de materiais, é difícil alcançar a operação de alta tensão e alta frequência com dispositivos à base de silício.
Por outro lado, o SIC-MOSFETS é adequado para uma ampla gama de aplicações de tensão-de 600 V a mais de 10 kV-e exibem excelentes características de comutação como dispositivos unipolares.
Comparado com o Silicon IGBTS, o SIC-MOSFETS oferece:
- Corrente de cauda zero durante a comutação,
- Perdas de comutação mais baixas,
- Frequência operacional significativamente maior.
Por exemplo, um módulo SIC-MOSFET de 20 kHz pode exibir metade da perda de energia de um módulo IGBT de silício de 3 kHz. Um módulo 50 A SiC pode substituir efetivamente um módulo SI 150 A, destacando as vantagens de eficiência e alta frequência.
Além disso, o diodo corporal no SIC-MOSFETS possui características de recuperação reversa ultra-rápidas, apresentando:
- Tempo de recuperação reversa extremamente curto (TRR),
- Carga de recuperação reversa muito baixa (QRR).
Por exemplo, na mesma corrente e tensão nominal (por exemplo, 900 V), o QRR do diodo corporal de um SiC-MOSFET é apenas 5% do de um MOSFET à base de silício. Isso é particularmente benéfico para circuitos do tipo ponte (como conversores ressonantes da LLC que operam acima da ressonância), como:
- Reduz os requisitos mortos,
- Minimiza as perdas e o ruído da recuperação do diodo,
- Permite frequências de comutação mais altas com maior eficiência.
3. Aplicações de SiC-Mosfets
Os módulos SIC-MOSFET demonstram vantagens substanciais em sistemas de energia de média a alta potência, incluindo:
- Inversores fotovoltaicos (PV),
- Conversores de energia eólica,
- Veículos elétricos (VEs),
- Sistemas de tração ferroviária.
Graças aos seus atributos de alta tensão, alta frequência e alta eficiência, os dispositivos SIC estão permitindo avanços no design do trem de força EV, onde os dispositivos tradicionais de silício atingiram gargalos de desempenho.
Exemplos proeminentes incluem:
- Denso e Toyota, que desenvolveram conjuntamente unidades de controle de energia (PCUs) para veículos elétricos híbridos (HEVs) e veículos elétricos de bateria (EVs) utilizando módulos SIC-MOSFET. Esses sistemas alcançaram uma redução de 5x no volume.
- A Mitsubishi Electric, que desenvolveu um sistema de acionamento de motor EV baseado em SIC-Mosfet com motor e inversor totalmente integrados, alcançando miniaturização e integração do sistema.
De acordo com as projeções, esperava-se que os módulos SIC-MOSFET vissem a adoção generalizada em veículos elétricos em todo o mundo entre 2018 e 2020, uma tendência que continua a crescer à medida que a tecnologia amadurece e os custos diminuem.
Ⅳ. Diodos Schottky de carboneto de silício (SiC SBD)
1. Estrutura do dispositivo
Os diodos schottky de carboneto de silício adotam uma estrutura de barreira de junção (JBS), que reduz efetivamente a corrente de vazamento reverso e melhora a capacidade de bloqueio de alta tensão. Essa estrutura combina as vantagens da baixa queda de tensão para a frente e da alta velocidade de comutação.
2 vantagens dos diodos sic schottky
Como dispositivos unipolares, os diodos Sic Schottky oferecem características superiores de recuperação reversa em comparação com os diodos de recuperação rápida tradicional de silício (SI FRDS). Ao mudar da condução direta para o bloqueio reverso, os diodos sic exibem:
- Corrente de recuperação reversa quase zero: os tempos de recuperação reversa são tipicamente inferiores a 20ns; Por exemplo, um SBD de 600V/10A SiC pode atingir menos de 10ns.
- Capacidade de frequência de alta comutação: permite a operação em frequências significativamente mais altas com maior eficiência.
- Coeficiente de temperatura positiva: a resistência aumenta com a temperatura, tornando os dispositivos mais adequados para operação paralela e melhorando a segurança e a confiabilidade do sistema.
- Desempenho de comutação estável entre as temperaturas: as características de comutação permanecem consistentes sob o estresse térmico.
- Perdas mínimas de comutação: ideal para aplicações de alta eficiência.
3. Aplicações
Os diodos Sic Schottky são amplamente utilizados em aplicações de médio a alta potência, como:
- Comutação de fontes de alimentação (SMPS)
- Circuitos de correção do fator de potência (PFC)
- Fontes de alimentação ininterruptas (UPS)
- Inversores fotovoltaicos e sistemas de energia renovável
A substituição de Si FRDS tradicional por SiC SBDS nos circuitos PFC permite a operação em frequências acima de 300kHz, mantendo a eficiência. Por outro lado, o SI FRDS sofre uma queda significativa de eficiência além de 100kHz. A operação de frequência mais alta também reduz o tamanho de componentes passivos, como indutores, diminuindo o volume geral de PCB em mais de 30%.
Ⅴ. Como o carboneto de silício (sic) é considerado?
O carboneto de silício é amplamente reconhecido como um material semicondutor de banda largo e um representante líder da terceira geração de semicondutores. É elogiado por suas excelentes propriedades físicas e elétricas:
1. Superioridade material
- BandGap amplo (3,09 eV): 2,8 vezes mais largo que o silício, permitindo tensões de ruptura mais altas.
- Campo elétrico de ruptura alta (3,2 mV/cm): 5,3 vezes maior que o silício, permitindo muito finas camadas de deriva.
- Alta condutividade térmica (4,9 W/cm · k): 3,3 vezes maior que o silício, facilitando uma melhor dissipação de calor.
- Forte resistência à radiação e alta densidade de portador: adequado para ambientes extremos.
2. Desempenho elétrico
Os dispositivos SIC oferecem desempenho melhorado drasticamente em comparação com as contrapartes de silício:
- A região de deriva pode ser uma ordem de magnitude mais fina que a do silício para a mesma classificação de tensão.
- As concentrações de doping podem ser de até duas ordens de magnitude mais altas.
- A resistência por unidade de área é até 100 vezes menor.
- A geração de calor é significativamente reduzida, contribuindo para menores perdas de condução e comutação.
- As frequências operacionais são tipicamente mais de 10 vezes maiores que as dos dispositivos de silício.
- Os dispositivos SiC podem funcionar em temperaturas de até 400 ° C e são capazes de lidar com altas correntes e tensões em pacotes compactos.
Avanços recentes tornaram possível produzir IGBTs baseados em SiC e outros dispositivos de potência com muito menor resistência e geração de calor. Essas propriedades fazem do SiC um material ideal para a próxima geração de eletrônicos de energia.
Ⅵ. Status de desenvolvimento atual dos dispositivos de carboneto de silício (SIC)
1. Parâmetros técnicos
Por exemplo, as classificações de tensão de diodos schottky aumentaram de 250V para mais de 1000V, enquanto a área de lascas diminuiu. No entanto, a classificação atual ainda é apenas algumas dezenas de amperes. As temperaturas operacionais melhoraram a 180 ° C, que ainda estão longe do máximo teórico de 600 ° C. A queda de tensão direta também é menor do que o ideal - comparável à dos dispositivos de silício - com alguns diodos SiC exibindo quedas de tensão para a frente de até 2V.
2. Preço de mercado
Os dispositivos SIC são aproximadamente5 a 6 vezes mais carodo que dispositivos equivalentes à base de silício.
Ⅶ. Desafios no desenvolvimento de dispositivos SIC
Com base em vários relatórios, os principais desafios não estão no princípio do dispositivo ou no projeto estrutural, que geralmente podem ser resolvidos, mas no processo de fabricação. Aqui estão alguns problemas importantes:
1. Defeitos microestruturais nas bolachas sic
Um defeito importante é a micropia, que é visível até a olho nu. Até que esses defeitos sejam totalmente eliminados no crescimento de cristais, é difícil usar o SIC para dispositivos eletrônicos de alta potência. Enquanto as bolachas de alta qualidade reduziram a densidade de micropipe para menos de 15 cm⁻², aplicações industriais exigem bolachas com mais de 100 mm de diâmetro com densidades de micropia abaixo de 0,5 cm⁻².
2. Baixa eficiência do crescimento epitaxial
A homoepitaxia do SiC é tipicamente realizada por deposição de vapor químico (DCV) a temperaturas acima de 1500 ° C. Devido a problemas de sublimação, as temperaturas não podem exceder 1800 ° C, resultando em baixas taxas de crescimento. Enquanto a epitaxia da fase líquida permite temperaturas mais baixas e taxas de crescimento mais altas, o rendimento permanece baixo.
3. Desafios nos processos de doping
O doping de difusão convencional não é adequado para o SiC devido à sua alta temperatura de difusão, o que compromete a capacidade de mascaramento da camada SiO₂ e a estabilidade do próprio SiC. A implantação de íons é necessária, principalmente para doping do tipo P usando alumínio.
No entanto, os íons de alumínio causam danos significativos à rede e baixa ativação, exigindo implantação a temperaturas elevadas do substrato seguido de recozimento de alta temperatura. Isso pode levar à decomposição da superfície, sublimação do Atom Si e outros problemas. A otimização da seleção dopante, temperaturas de recozimento e parâmetros de processo ainda estão em andamento.
4. Dificuldade em formar contatos ôhmicos
Criar contatos ôhmicos com a resistividade de contato abaixo de 10⁻⁵ Ω · cm² é crítica. Enquanto Ni e Al são normalmente usados, eles sofrem de baixa estabilidade térmica acima de 100 ° C. Eletrodos compostos como Al/Ni/W/Au podem melhorar a estabilidade térmica de até 600 ° C por 100 horas, mas a resistividade de contato permanece alta (~ 10⁻³ Ω · cm²), dificultando a obtenção de contatos ôhmicos confiáveis.
5. Resistência ao calor de materiais auxiliares
Embora os chips SiC possam operar a 600 ° C, materiais de suporte, como eletrodos, solda, pacotes e isolamento, geralmente não podem suportar temperaturas tão altas, limitando o desempenho geral do sistema.
Nota: Estes são apenas exemplos selecionados. Muitos outros desafios de fabricação - como gravação de trincheira, passivação de terminação de borda e a confiabilidade da interface do óxido de portão nos MOSFETs do SiC - ainda não possuem soluções ideais. A indústria ainda não alcançou consenso em várias dessas questões, dificultando significativamente o rápido desenvolvimento de dispositivos de poder SiC.
Ⅷ. Por que os dispositivos SIC ainda não foram amplamente adotados
As vantagens dos dispositivos SiC foram reconhecidas desde a década de 1960. No entanto, a adoção generalizada foi adiada devido a vários desafios técnicos, particularmente na fabricação. Ainda hoje, a principal aplicação industrial do SiC permanece como um abrasivo (Carborundum).
O SiC não derrete sob pressão controlável, mas sublima a cerca de 2500 ° C, o que significa que o crescimento do cristal a granel deve começar da fase de vapor, um processo muito mais complexo que o crescimento do silício (Si derrete a ~ 1400 ° C). Um dos maiores obstáculos ao sucesso comercial é a falta de substratos SiC adequados para dispositivos semicondutores de energia.
Para o silício, os substratos de cristal único (bolachas) estão prontamente disponíveis e são a base para a produção em larga escala. Embora um método para o cultivo de substratos SiC de grande área (método LELY modificado) tenha sido desenvolvido no final da década de 1970, esses substratos sofriam de defeitos de micropipe.
Uma única micropia penetrando uma junção PN de alta tensão pode destruir sua capacidade de bloqueio. Nos últimos três anos, a densidade de micropipe caiu de dezenas de milhares por mm² para dezenas por mm². Como resultado, os tamanhos dos dispositivos foram limitados a apenas alguns mm², com correntes nominais máximas de apenas alguns amperes.
Melhorias adicionais na qualidade do substrato são essenciais antes que os dispositivos de energia SiC possam se tornar comercialmente viáveis.
Ⅸ. Progresso na bola SiC e densidade de micropipe
Avanços recentes mostram que o SiC para dispositivos optoeletrônicos atingiu a qualidade aceitável, com o rendimento e a confiabilidade da produção não prejudicados por defeitos materiais. Para dispositivos unipolares de alta frequência, como MOSFETs e diodos Schottky, a densidade de micropipe está principalmente sob controle, embora ainda afete levemente o rendimento.
Para dispositivos de alta tensão e alta potência, os materiais SiC ainda precisam de mais dois anos de desenvolvimento para reduzir ainda mais a densidade de defeitos. Apesar dos desafios atuais, não há dúvida de que o SIC é um dos materiais semicondutores mais promissores para o século XXI.
Ⅹ. Produtos relacionados
12 polegadas SiC Wafer 300mm Silicone Carbofer wafer condutora de grau de pesquisa n-tipo n-tipo N