SiC wafer-applikationsfelterne er hovedsageligt opdelt i det elektroniske kraftfelt, radiofrekvensfeltet, det fotoelektriske felt og andre felter. Blandt dem er det elektroniske kraftfelt og radiofrekvensfeltet de vigtigste applikationer, og fordelene ved anvendelse af siliciumcarbidplader er indlysende. Artiklen introducerer hovedsageligt årsagen til SiC wafer-applikationen i radiofrekvente enheder.
1. GaN HEMT Devices on the SiC Wafer Application in the 5G Base Station
I øjeblikket anvender en effektforstærker (PA for kort), der anvendes i basestationer, hovedsageligt en siliciumbaseret lateral diffunderet metaloxid-halvlederteknologi (LDMOS). 5G-basestationen AAU vedtager Massive MIMO-teknologi (massiv multipel input-output), hvilket resulterer i øget udstyrskraft.
LDMOS-teknologi har begrænsninger i højfrekvente applikationer: båndbredden på LDMOS-forstærkere reduceres kraftigt, når frekvensen øges, LDMOS er kun effektiv i frekvensområdet 3,5 GHz. Derfor er ydeevnen for LDMOS i 3,5 GHz-båndet begyndt at falde markant.
Derudover er AAU-effekten på 5G-basestationer steget kraftigt, og kraften i en enkelt sektor er steget fra ca. 50W i 4G-perioden til ca. 200W i 5G-perioden. Den traditionelle LDMOS-proces er vanskelig at opfylde præstationskravene. Det nuværende PA-marked, inklusive dem, der anvendes i basestationer og mobiltelefoner, omfatter fremstillingsprocessen hovedsageligt traditionelle LDMOS, GaAs, GaN.
Med udviklingen af halvledermaterialeteknologi bliver galliumnitrid (GaN) den vigtigste tekniske rute for PA i mellemhøjfrekvensbåndene. Fordelene ved GaN-teknologi inkluderer energieffektivitetsforbedring, bredere båndbredde, større effekttæthed og mindre volumen, hvilket gør det til en vellykket erstatning for LDMOS.
GaAs har en mikrobølgefrekvens og en arbejdsspænding på 5V til 7V og har været meget brugt i PA i mange år. Den siliciumbaserede LDMOS-teknologi har en arbejdsspænding på 28V og er blevet brugt inden for telekommunikationsområdet i mange år, og den spiller primært en rolle i frekvenser under 4 GHz. Men det er ikke meget brugt i bredbånd applikationer. I modsætning hertil har GaN en driftsspænding på 28V til 50V med en højere effekttæthed og afskæringsfrekvens og kan opnå en meget integreret løsning i MIMO-applikationer.
Massive-MIMO-antenner kræver, at enheder miniaturiseres. Størrelsen på enheder lavet af GaN er 1/6 til 1/4 af LDMOS-størrelsen. Sammenlignet med LDMOS kan GaN øge effekten med 4 til 6 gange pr. Arealenhed.
Anvendelsen af højfrekvente og højeffektive dele er det dominerende felt i tredjegenerations halvleder GaN. GaN HMET-enheder på SiC-substrat kan bruges.
2. Hvorfor vælge siliciumcarbidsubstrat?
Hvert indeks af substratmaterialerne, såsom overfladeruhed, koefficient for termisk ekspansion, koefficient for termisk ledningsevne og graden af gittertilpasning med det epitaksiale materiale, har en dybtgående indvirkning på produktionen af enhederne. Ydelseskravene og forklaringerne, der skal undersøges for kvalificerede substratmaterialer, er vist i følgende figur:
| Krav til substratets ydeevne | Forklaring |
| Gode krystalstrukturegenskaber | Det epitaksiale materiale og substratet har den samme eller lignende krystalstruktur; lille gitter konstant uoverensstemmelse, god krystalydelse og lav defektdensitet |
| Gode grænsefladeegenskaber | Bidrager til kimdannelse af epitaksiale materialer og stærk vedhæftning |
| God kemisk stabilitet | Det er ikke let at nedbryde og korrodere i temperaturen og atmosfæren af epitaksial vækst. |
| God termisk ydeevne | Varmeledningsevnen er god, og den termiske uoverensstemmelse er lille. Tilpasningen af den termiske ekspansionskoefficient mellem bunden og den epitaksiale film er meget vigtig. Hvis der er for stor forskel, falder kvaliteten af den epitaksiale film. |
| God ledningsevne | Op og ned struktur kan laves. |
| God optisk ydeevne | Lyset, der udsendes af den fabrikerede enhed, absorberes mindre af substratet. |
| God bearbejdelighed | Enheden er nem at behandle, herunder udtynding, polering og skæring osv. |
| Lav pris | Udviklingen af industrialisering kræver, at omkostningerne ikke skal være for høje. |
| Stor størrelse | Tråde kræver en diameter på ikke mindre end 2 tommer |
3. Comparison for Sapphire, Silicon and Silicon Carbide
Uoverensstemmelse. For GaN gitter uoverensstemmelsesrate er safir 13,9%, silicium er 16,9%, og siliciumcarbid er kun 3,4%. Den termiske mismatchrate for safir er 30,3%, den for Si er 53,5% og kun 15,9% for SiC enkeltkrystal. Derfor, hvad angår krystalstrukturegenskaber, er krystalstrukturen af 4H-SiC og 6H-SiC og GaN begge wurtzitstrukturer med den laveste gitterfejlhastighed og termiske mismatchhastighed. Anvendelsen af SiC-wafer er således til dyrkning af GaN-epitaksiale lag af høj kvalitet.
Ledningsevne. Safir er isolerende og kan ikke fremstille lodrette enheder.
Varmeledningsevne. Safirens varmeledningsevne er kun 0,3 W · cm-1 · K-1, og siliciumens termiske ledningsevne er 1,48 W · cm-1 · K-1, hvilket er langt lavere end siliciumcarbids 3,4 W · cm- 1 · K-1.
Optisk ydeevne. Både safir og siliciumcarbid absorberer ikke synligt lys, Si-substratet absorberer lys alvorligt, og effektiviteten af LED-lyseffekten er lav.
Sammenfattende er der mange fordele ved dyrkning af galliumnitrid på siliciumcarbidsubstrater. På grund af excellensen af siliciumcarbidegenskaberne er SiC-waferapplikationen bredt.
For mere information, kontakt os venligst e-mail på victorchan@powerwaywafer.com og powerwaymaterial@gmail.com.