Silisyum karbür, güç yarı iletken pazarında, özellikle elektrikli araçlarda ilgi görüyor ancak birçok uygulama için hala çok pahalı.
Sebepleri iyi anlaşılmıştır, ancak yakın zamana kadar SiC büyük ölçüde yatırımı garanti etmeyen niş bir teknolojiydi. Artık yüksek voltaj uygulamalarında çalışabilecek çiplere olan talep arttıkça SiC daha yakından inceleniyor. Silikon güç cihazlarının diğer potansiyel alternatiflerinden farklı olarak SiC, aşinalık avantajına sahiptir.
İlk olarak kristal radyolardaki dedektör diyotları için kullanılan SiC, ticari açıdan önemli ilk yarı iletkenlerden biriydi. Ticari SiC JFET'ler 2008'den beri mevcuttur ve özellikle elektronikte kullanışlıdır. zorlu ortamlar. SiC MOSFET'ler 2011 yılında ticarileştirildi. Malzeme, silikonun kırılma voltajının 3.26 katı olan 10 eV'lik orta düzeyde bir bant aralığı sunuyor.
Ne yazık ki SiC'nin üretimi de çok zordur. Hitachi Energy'nin küresel ürün yönetiminden sorumlu başkan yardımcısı Tobias Keller, standart Czochralski (CZ) büyüme yöntemlerinin uygulanabilir olmadığını açıkladı. CZ büyümesi silika potasındaki silikonu yaklaşık 1500°C'de eritir, ancak silisyum karbürün erime noktası 2700°C'nin üzerindedir.
Bunun yerine SiC kristalleri genellikle Lely yöntemi. SiC tozu argon atmosferinde 2500°C'nin üzerine ısıtılır ve burada bir tohum kristali üzerine süblimleşir. Süreç yeterli sonuçlar verir ancak hataya açıktır ve kontrol edilmesi zordur. Performans gösteren mühendisler muayene Gelen SiC levhaların sayısı tipik olarak istifleme hataları ve diğer kusurlar nedeniyle önemli "ölü" alanları tespit eder.
SiC cihazları, beklenen çalışma voltajı için optimize edilmiş özel bir epitaksiyel cihaz katmanı üzerine inşa edilmiştir. Daha kalın epikatmanlar daha yüksek voltajları tolere edebilir ancak aynı zamanda daha fazla kusura sahip olma eğilimindedirler. Keller, son iki yılda iyileştirilmiş levha kalitesinin ve ölü alanların daha erken belirlenmesinin genel verimi %30 artırdığını söyledi.
Daha yüksek mobilite için daha iyi dielektrikler
SiC MOSFET'ler, geçit oksit/karbür arayüzünün genel olarak düşük kalitesi nedeniyle daha da sınırlıdır. Aralık ayındaki IEEE Elektron Cihaz Toplantısında (IEDM) sunulan çalışmada, Japonya'nın Kyoto ve Osaka Üniversitelerinden araştırmacı T. Kimoto ve meslektaşları, arayüzdeki karbon-karbon kusurlarının SiC'nin doğrudan oksidasyonundan kaynaklandığını açıkladı. [1] Bu kusurlar, kanal direncini arttırdıkları ve bitmiş cihazlarda eşik voltajı kaymalarına katkıda bulundukları SiC iletim bandı kenarının yakınında bulunur.
SiC'nin oksidasyonuna alternatif olarak, Kimoto'nun grubu önce yüzeyi hidrojen plazması ile kazıdı, ardından SiO biriktirdi.2 CVD ile, ardından arayüzün nitrürlenmesiyle. Bu işlem tuzak yoğunluğunu azalttı ve inversiyon katmanı elektron hareketliliğini iki kattan fazla artırarak 80 cmXNUMX'ye çıkardı.2/V-sn, 10V kapı öngeriliminde.
Hitachi Energy'den (eski adıyla ABB Semiconductors) Stephan Wirths ve meslektaşları, isimsiz bir yüksek k dielektrik bileşiğinin, SiO için gereken pasifleştirme adımları olmadan SiC ile düşük kusurlu arayüzler oluşturabileceğini gösterdi.2. [2] Silikon cihazlarda olduğu gibi, SiC MOSFET'ler için yüksek k geçit dielektriklerinin kullanılması, belirli bir kapasitanstaki fiziksel kalınlığı da artırarak geçit kaçak akımını azaltır.
Şekil 1: Yüksek k SiC güçlü MOSFET. Kaynak: Hitachi Enerji
SiC taşıyıcılarının zayıf mobilitesi cihaz tasarımcıları için başka bir zorluk teşkil ediyor. Onlarca yıl süren çalışmalardan sonra bile, geçit dielektriğini optimize ederek elde edilen en iyi mobilite, silikonunkinden 10 kat daha azdır. Sonuç olarak, kanal direnci silikonunkinden 10 kat daha yüksektir.
Güç cihazlarında düşük hareketlilik hem performansı hem de dayanıklılığı sınırlar. Cihaz direnci ve anahtarlama kayıpları, elektrikli aracın menzili gibi parametreleri doğrudan etkiler. İmplante edilen katkı maddeleri ve yapısal değişiklikler kanal direncini azaltabilirken, Sonrisa Research'ün başkanı James Cooper, bunun aynı zamanda akım yoğunluğunu artırarak kısa devreye dayanma süresini de azalttığını gözlemledi. [3]
Kısa devrelerden kurtulma
Kısa devreye dayanma süresi, güç cihazları için önemli bir güvenlik parametresidir. Cihaz herhangi bir nedenle kısa devre yaparsa, koruyucu devrelerin yanıt vermesine yetecek kadar uzun süre hayatta kalması gerekir. Arıza, yalnızca elektrik yükünde kalıcı hasara yol açmakla kalmaz, aynı zamanda kullanıcının yaralanmasına, yangına ve maddi hasara da yol açabilir. Kesin gereksinim, koruma devresinin tasarımına bağlıdır, ancak genellikle 5 ila 10 mikrosaniye arasındadır. Akım yoğunluğu arttıkça kısa devre koşullarındaki sıcaklık da artar ve dayanma süresi azalır.
SiC MOSFET'lerin ticari olarak benimsenmesi kısmen yavaş olmuştur çünkü bu cihazlar benzer dereceli silikon cihazlara göre daha kısa dayanma sürelerine sahip olma eğilimindedir. Bu nedenle tasarımcılar kanal direnci ile akım yoğunluğu arasındaki ilişkiyi değiştirmek istiyorlar. Akım yoğunluğunu tehlikeli seviyelere çıkarmadan direnci azaltmak mümkün müdür?
Olası bir çözüm, aynı zamanda oksit kalınlığını da azaltırken kapı önyargısını azaltmaktır. Cooper, daha ince bir oksidin, silikon MOSFET'lerde olduğu gibi kanalın kontrolünü iyileştirdiğini ve daha düşük voltajda çalışmaya olanak sağladığını açıkladı. Bu çözüm, üretim sürecinde çok az değişiklik yapılmasını gerektirir. İnce dielektriklere sahip SiC cihazlarıyla ilgili az sayıda çalışma mevcut olsa da, silikon cihazlar gereksiz tünelleme olmadan 5 nm kadar ince oksitler kullanır. Ayrıca yukarıda belirtildiği gibi yüksek k dielektriklerin kullanımı, fiziksel kalınlığı korurken daha iyi kanal kontrolü sağlayabilir.
SUNY Politeknik Enstitüsü'nden Dongyoung Kim ve Woongje Sung tarafından önerilen ikinci alternatif, etkili kanal kalınlığını artırarak akım yoğunluğunu azaltmayı amaçlıyor. Derin P-kuyularını yerleştirmek için 4°'lik bir eğim açısı kullandılar ve <0001> SiC kafes yönü boyunca iyon kanalından yararlandılar. Derin kuyu implantı geleneksel kuyucukla aynı maskeyi kullandığından, bu yaklaşım üretim sürecinde yalnızca küçük değişiklikler gerektirir. Ortaya çıkan cihazlar maksimum drenaj akımını yaklaşık 2.7 kat azalttı ve dayanma süresini dört kat artırdı. [4]
Benzer bir sorunu çözmek için silikon endüstrisi artık her yerde bulunan finFET'e yöneldi. Sabit akımda kanal alanının arttırılması akım yoğunluğunu azaltır. Purdue Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, polisilikon kapılı ve çoklu mikron altı kanatçıklı bir SiC üç kapılı MOSFET'i göstererek spesifik kanal direncinde 3.6 kat azalma elde etti. [5]
Şekil 2: Üç kapılı SiC MOSFET'teki mevcut yollar ve kanal genişliği. Kaynak: IEEE Elektron Cihaz Mektupları
Güç cihazı endüstrisinin finFET kadar radikal bir mimariyi ne kadar hızlı benimseyeceği açık olmasa da SiC'nin yüksek arıza voltajı zorlayıcı bir avantajdır. Bu avantajın farkına varmayı uman üreticilerin, düşük mobilite ve yüksek akım yoğunluğunun yarattığı zorluklara bir çözüm bulması gerekecek.
Referanslar
[1] T. Kimoto ve diğerleri, “SiC Güç Cihazlarında Fizik ve Yenilikçi Teknolojiler”, 2021 IEEE Uluslararası Elektron Cihazları Toplantısı (IEDM), 2021, pp. 36.1.1-36.1.4, doi: 10.1109/IEDM19574.2021.9720696 .
[2] S. Wirths ve diğerleri, "High-k/Metal Gate Stack ile Dikey 1.2kV SiC Güç MOSFET'leri", 2019 31. Uluslararası Güç Yarı İletken Cihazları ve IC'ler Sempozyumu (ISPSD), 2019, s. 103-106, doi : 10.1109/ISPSD.2019.8757601.
[3] JA Cooper ve diğerleri, "Silisyum Karbür Güç MOSFET'lerinin Sağlamlığını Artırmak için Sabit Geçit Şarj Ölçeklendirmesinin Gösterimi", Elektron Cihazlarında IEEE İşlemleri, cilt. 68, hayır. 9, s. 4577-4581, Eylül 2021, doi: 10.1109/TED.2021.3099455.
[4] D. Kim ve W. Sung, "Kanal İmplantasyonuyla Uygulanan Derin P-Kuyusu Kullanılarak 1.2kV 4H-SiC MOSFET için Geliştirilmiş Kısa Devre Sağlamlığı", IEEE Elektron Cihazı Mektupları, cilt. 42, hayır. 12, s. 1822-1825, Aralık 2021, doi: 10.1109/LED.2021.3123289.
[5] RP Ramamurthy, N. Islam, M. Sampath, DT Morisette ve JA Cooper, "The Tri-Gate MOSFET: A New Vertical Power Transistor in 4H-SiC", içinde IEEE Elektron Cihazı Mektupları, cilt. 42, hayır. 1, s. 90-93, Ocak 2021, doi: 10.1109/LED.2020.3040239.
