تعد ركائز SiC المُصممة بمزيد من الاستدامة والأداء

أظهر كربيد السيليكون مزايا أداء كبيرة مقارنة بالسيليكون في العديد من تطبيقات تحويل الطاقة. ويعتمد الاعتماد الأكبر على المزيد من التخفيضات في التكاليف وحجم الإنتاج لتلبية الطلب القوي المتوقع على أشباه موصلات الطاقة نتيجة لزيادة الكهربة العالمية. في هذه المقالة، سنناقش المزايا المحتملة لركائز SiC الهندسية التي طورتها شركة Soitec، كما تم تقديمها في مؤتمر APEC 2024.

عملية سمارت سيك

قامت Soitec بتطوير عملية Smart Cut في أوائل التسعينيات. يتضمن ذلك استخدام رقاقة “مقبض” ورقاقة “مانحة”. يتم زرع الرقاقة المانحة المؤكسدة بالهيدروجين على عمق معين أسفل سطح الأكسيد ثم يتم قلبها على رقاقة المقبض. يتم استخدام سلسلة من التلدين لتقسيم الرقاقة المانحة أولاً على العمق المزروع ثم دمج الشريحة الرقيقة من الرقاقة المانحة على رقاقة المقبض. السطح العلوي مصقول ويمكن استخدامه لإنشاء الجهاز. تتمتع رقائق السيليكون على الأكسيد الناتجة بالعديد من المزايا في إنشاء الترددات اللاسلكية والمنطق منخفض الطاقة والدوائر المرحلية للطاقة: يوفر الأكسيد عزلًا، مما يتيح تكاملًا أسهل للأجهزة المختلفة من فئة الجهد، مع مزايا في التوصيل، وسعة توصيل منخفضة وانخفاض التسرب. يمكن إعادة استخدام الرقاقة المانحة بعد بعض التحضير. تم اعتماد هذا التدفق الأساسي في عملية SmartSiC، مع بعض الاختلافات الرئيسية. رقاقة المقبض في هذه الحالة عبارة عن رقاقة بولي سيك (pSiC) مشبعة بدرجة عالية، ويتم استخدام الترابط الموصل لدمجها في الرقاقة المانحة، والتي عادةً ما تكون رقاقة أحادية البلورية 4H SiC بدرجة إنتاج. يتم ربط الوجه الكربوني للرقاقة المانحة، مما يضمن أن السطح العلوي عبارة عن وجه سيليكون، تمامًا مثل ركيزة SiC التقليدية. إن طبقة SiC هذه، والتي يمكن أن تكون بسمك 1 ميكرومتر أو أقل، هي الطبقة البذرة التي يمكن زراعة طبقات epi الخاصة بالجهاز عليها.

خصائص سمارت سيك

دعونا نلقي نظرة على بعض خصائص الأجهزة المنتجة بواسطة SmartSiC والمزايا المحتملة التي يمكن أن توفرها هذه الركيزة لتدفق التصنيع وأداء أجهزة الطاقة من SiC.

انخفاض CO₂ اثار

العملية القياسية لإنتاج ركيزة أحادية البلورية من SiC تستهلك الكثير من الطاقة. درجات حرارة عالية (> 2000^°ج) ضرورية في عملية التسامي نقل البخار الفيزيائي (PVT). في المقابل، يمكن إنتاج pSiC عن طريق ترسيب البخار الكيميائي ذي درجة الحرارة المنخفضة والإنتاجية العالية. يُظهر تدفق SmartSiC الذي حددته Soitec رقاقة مانحة أحادية البلورية القياسية يتم إعادة استخدامها 10 ×. تظهر تقديرات تحليل دورة الحياة الخاصة بها أنه مع مزيج توليد الكهرباء الحالي، يؤدي تدفق SmartSiC إلى تقليل ثاني أكسيد الكربون بمقدار 4 مرات₂ الانبعاثات مقارنة بالتدفق القياسي.

انخفاض مقاومة الركيزة

في أجهزة SiC MOSFET العمودية، تتكون المقاومة الصافية للجهاز في الغالب من إضافة مقاومة قناة الانعكاس الجانبية، ومقاومة JFET أثناء تدفق التيار تحت البوابة، ومقاومة الانجراف عبر طبقات epi ومقاومة الركيزة. يتم تخفيف الركيزة القياسية، التي تبدأ عادةً بسمك 350 ميكرومتر، قبل تعدين التلامس الخلفي إلى ما بين 100 ميكرومتر و200 ميكرومتر. تتراوح مقاومة الصفائح للركائز 4H-SiC المتوفرة تجاريًا من 15 إلى 20 متر مكعب. يتم تقييد مستوى المنشطات هذا من خلال المقايضة التي تم إنشاؤها أثناء نمو PVT مع الجودة البلورية. في المقابل، يمكن تخدير الركيزة pSiC المستخدمة في SmartSiC بدرجة أعلى بكثير، مع قيم نموذجية تبلغ 2 mΩ-cm. تعتمد المساهمة النسبية لمقاومة الركيزة على عدة عوامل، بما في ذلك فئة الجهد للجهاز. على سبيل المثال، سيكون لوحدات MOSFET 750 فولت مع طبقة epi (انجراف) أرق مساهمة أكبر بنسبة مئوية في مقاومة الركيزة مقارنةً بـ MOSFET 1200 فولت، حيث سيكون لطبقة الانجراف الأكثر سمكًا مساهمة نسبية أكبر في المقاومة مقارنةً بـ الركيزة. في MOSFET 750 فولت، يمكن أن تساهم الركيزة بأكثر من 15% من إجمالي المقاومة على الحالة (R_{DS (على)}) من الجهاز.

مقاومة التلامس السفلي مع تدفق عملية أبسط

عادةً ما يتم إنشاء الاتصال الخلفي في تدفق عملية SiC القياسي عن طريق التلدين بالليزر لإنشاء طبقة من النيكل والسيليكون. لقد أظهرت Soitec مقاومة للصفائح الخلفية بمقدار 10× على الركيزة pSiC مقارنة بالتدفق القياسي حتى بدون الحاجة إلى التلدين بالليزر.

ويصور الشكل 1 تحسين كل من الركيزة ومقاومة التلامس الخلفي مع تدفق SmartSiC.

تحسين تسطيح الرقاقة والاعوجاج

بالمقارنة مع ركائز SiC القياسية، فقد ثبت أن ركائز pSiC قد تحسنت من التسطيح، كما تم قياسها من خلال نطاق المربعات الأقل لتسطيح الموقع، كما تم تقليل صفحة الحرب بأكثر من عامل 2 عندما يتم أخذ الرقاقة من خلال عملية طحن خلفية.

الخلل والتفتيش

لقد أثبتت Soitec أن صور كثافة العيوب التي تم التقاطها بعد حفر KOH على SmartSiC كانت معادلة لتلك الموجودة في الرقاقة المانحة. علاوة على ذلك، فقد ثبت أن رقائق SmartSiC متوافقة مع أدوات الفحص البصري القياسية مثل SICA. تسمح طبقة البذور الرقيقة الموجودة في الأعلى لـ SiC برؤية سطح قاعدة pSiC.

تحسين المقاومة الخاصة بالجهاز

تترجم مقاومات التلامس الخلفية والركيزة المحسنة مباشرة إلى أرقام جدارة محسنة للأجهزة. على سبيل المثال، في مثال 750-V SiC MOSFET الذي ناقشناه أعلاه، يمكن أن يصل التحسن في المقاومة الخاصة بالجهاز إلى 20%. يوضح الشكل 2 البيانات التي تقارن الخصائص IV الأمامية لثنائيات شوتكي. لوحظ انخفاض كبير (> 10٪) في المقاومة الأمامية. مثل هذه الزيادة في الأداء يمكن أن تكون المعادل التقريبي لما يتم اكتسابه من القفزة في توليد الأجهزة.

يموت أصغر وتحسين العائد

بالنسبة لتصنيف جهاز معين، يمكن الاستفادة من كثافة التيار الأعلى المحققة لجعل القالب أصغر، مما يعطي المزايا المركبة لمزيد من القوالب لكل رقاقة بإنتاجية أعلى. وهذا يمكن أن يترجم مباشرة إلى تحسينات في التكلفة.

مصداقية

تمت مقارنة اختبارات دورة الطاقة النشطة (PCT) على ثنائيات شوتكي المبنية على رقائق SiC أحادية البلورية القياسية مقابل رقائق SmartSiC. تتمتع هذه القوالب مقاس 5 × 10 مم بتصنيف تيار نموذجي يبلغ 138 أمبير لمعيار SiC و146 أمبير لـ SmartSiC. تم استخدام تلبيد الفضة للجزء الخلفي وربط أسلاك الألمنيوم لجهات الاتصال العلوية. تم إجراء معاهدة التعاون بشأن البراءات لإنشاء زيادات في درجة الحرارة بمقدار 80 كلفن و120 كلفن، وتم تدويرها خلال مرحلة تسخين مدتها ثلاث ثوانٍ تليها مرحلة تبريد مدتها ست ثوانٍ. أكدت أكثر من 300 كيلو دورة من الاختبارات الأداء المتفوق لـ SmartSiC مع وصلة تلبيد الفضة. تم ملاحظة تحسن مدى الحياة بمقدار 2 ×، أو قدرة تأرجح أعلى لدرجة الحرارة بمقدار 20 كلفن. تعرض هذه الدراسة موثوقية واجهة ربط SmartSiC. ستكون هناك حاجة لدراسات موثوقية أخرى على مستوى الجهاز، مثل استقرار الصمام الثنائي لجسم MOSFET، وزمن تحمل الدائرة القصيرة وضغوط التحيز العكسي مثل HTRB وHTGB، لاكتساب المزيد من الثقة في هذه التقنية. ستكون اختبارات إجهاد تحويل الطاقة الخاصة بالتطبيقات على المستوى المنفصل وعلى مستوى الوحدة أيضًا بمثابة مقدمة أساسية للاستخدام الشامل لهذه التكنولوجيا.

المنشور: ركائز SiC الهندسية تعد بقدر أكبر من الاستدامة والأداء ظهرت لأول مرة على Power Electronics News.