Die Anwendungsfelder für SiC-Wafer sind hauptsächlich in das elektronische Leistungsfeld, das Hochfrequenzfeld, das photoelektrische Feld und andere Felder unterteilt. Unter diesen sind das elektronische Leistungsfeld und das Hochfrequenzfeld die wichtigsten Anwendungen, und die Vorteile der Verwendung von Siliziumkarbidwafern liegen auf der Hand. Der Artikel führt hauptsächlich den Grund der SiC-Wafer-Anwendung in Hochfrequenzvorrichtungen ein.
1. GaN HEMT Devices on the SiC Wafer Application in the 5G Base Station
Gegenwärtig verwendet ein Leistungsverstärker (kurz PA), der in Basisstationen verwendet wird, hauptsächlich eine seitlich diffundierte Metalloxidhalbleitertechnologie (LDMOS) auf Siliziumbasis. Die 5G-Basisstation AAU verwendet die Massive MIMO-Technologie (Massive Multiple Input Multiple Output), was zu einer höheren Geräteleistung führt.
Die LDMOS-Technologie weist bei Hochfrequenzanwendungen Einschränkungen auf: Die Bandbreite von LDMOS-Leistungsverstärkern wird mit zunehmender Frequenz stark reduziert, LDMOS ist nur im Frequenzbereich von 3,5 GHz wirksam. Daher hat die Leistung von LDMOS im 3,5-GHz-Band allmählich erheblich abgenommen.
Darüber hinaus wurde die AAU-Leistung von 5G-Basisstationen stark erhöht, und die Einzelsektorleistung wurde von etwa 50 W im 4G-Zeitraum auf etwa 200 W im 5G-Zeitraum erhöht. Der herkömmliche LDMOS-Prozess ist schwierig, die Leistungsanforderungen zu erfüllen. Der derzeitige PA-Markt, einschließlich der in Basisstationen und Mobiltelefonen verwendeten, umfasst hauptsächlich herkömmliche LDMOS, GaAs und GaN.
Mit der Entwicklung der Halbleitermaterialtechnologie wird Galliumnitrid (GaN) zum wichtigsten technischen Weg für PA im mittleren bis hohen Frequenzbereich. Zu den Vorteilen der GaN-Technologie gehören die Verbesserung der Energieeffizienz, eine größere Bandbreite, eine größere Leistungsdichte und ein kleineres Volumen, was sie zu einem erfolgreichen Ersatz für LDMOS macht.
GaAs hat eine Mikrowellenfrequenz und eine Arbeitsspannung von 5 V bis 7 V und wird seit vielen Jahren in PA häufig verwendet. Die auf Silizium basierende LDMOS-Technologie hat eine Arbeitsspannung von 28 V und wird seit vielen Jahren im Telekommunikationsbereich eingesetzt. Sie spielt hauptsächlich bei Frequenzen unter 4 GHz eine Rolle. In Breitbandanwendungen ist es jedoch nicht weit verbreitet. Im Gegensatz dazu hat GaN eine Betriebsspannung von 28 V bis 50 V mit einer höheren Leistungsdichte und Grenzfrequenz und kann eine hochintegrierte Lösung in MIMO-Anwendungen erzielen.
Bei Massive-MIMO-Antennen müssen Geräte miniaturisiert werden. Die Größe von Bauelementen aus GaN beträgt 1/6 bis 1/4 der LDMOS-Größe. Im Vergleich zu LDMOS kann GaN die Leistung pro Flächeneinheit um das 4- bis 6-fache erhöhen.
Die Anwendung von Hochfrequenz- und Hochleistungsteilen ist das dominierende Feld des Halbleiter-GaN der dritten Generation. GaN-HMET-Bauelemente auf SiC-Substrat können verwendet werden.
2. Warum Siliziumkarbid-Substrat wählen?
Jeder Index der Substratmaterialien, wie die Oberflächenrauheit, der Wärmeausdehnungskoeffizient, der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient und der Grad der Gitteranpassung mit dem epitaktischen Material, hat einen tiefgreifenden Einfluss auf die Herstellung der Vorrichtungen. Die Leistungsanforderungen und Erklärungen, die für qualifizierte Substratmaterialien zu untersuchen sind, sind in der folgenden Abbildung dargestellt:
| Leistungsanforderungen an das Substratmaterial | Erläuterung |
| Gute Eigenschaften der Kristallstruktur | Das epitaktische Material und das Substrat haben die gleiche oder eine ähnliche Kristallstruktur; kleine Fehlkonstante des Gitters, gute Kristallleistung und geringe Defektdichte |
| Gute Schnittstelleneigenschaften | Fördert die Keimbildung von epitaktischen Materialien und die starke Haftung |
| Gute chemische Stabilität | Es ist nicht leicht, sich in der Temperatur und Atmosphäre des epitaktischen Wachstums zu zersetzen und zu korrodieren. |
| Gute Wärmeleistung | Die Wärmeleitfähigkeit ist gut und die thermische Fehlanpassung ist gering. Die Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Boden und dem Epitaxiefilm ist sehr wichtig. Wenn es zu viele Unterschiede gibt, nimmt die Qualität des Epitaxiefilms ab. |
| Gute Leitfähigkeit | Es kann eine Auf- und Ab-Struktur hergestellt werden. |
| Gute optische Leistung | Das von der hergestellten Vorrichtung emittierte Licht wird vom Substrat weniger absorbiert. |
| Gute Verarbeitbarkeit | Das Gerät ist einfach zu verarbeiten, einschließlich Ausdünnen, Polieren und Schneiden usw. |
| Niedriger Preis | Die Entwicklung der Industrialisierung erfordert, dass die Kosten nicht zu hoch sind. |
| Große Größe | Stränge erfordern einen Durchmesser von mindestens 2 Zoll |
3. Comparison for Sapphire, Silicon and Silicon Carbide
Nichtübereinstimmung. Für die GaN-Gitterfehlanpassungsrate beträgt Saphir 13,9%, Silizium 16,9% und Siliziumkarbid nur 3,4%. Die thermische Fehlpaarungsrate von Saphir beträgt 30,3%, die von Si 53,5% und nur 15,9% für SiC-Einkristalle. In Bezug auf die Kristallstruktureigenschaften sind daher die Kristallstruktur von 4H-SiC und 6H-SiC und GaN beide Wurtzitstrukturen mit der niedrigsten Gitterfehlanpassungsrate und der niedrigsten thermischen Fehlanpassungsrate. Die Anwendung eines SiC-Wafers dient daher zum Züchten hochwertiger GaN-Epitaxieschichten.
Leitfähigkeit. Saphir ist isolierend und kann keine vertikalen Geräte herstellen.
Wärmeleitfähigkeit. Die Wärmeleitfähigkeit von Saphir beträgt nur 0,3 W · cm & supmin; ¹ · K & supmin; ¹, und die Wärmeleitfähigkeit von Silizium beträgt 1,48 W · cm & supmin; ¹ · K & supmin; ¹, was weitaus niedriger ist als die von Siliciumcarbid 3,4 W · cm & supmin; 1 · K-1.
Optische Leistung. Sowohl Saphir als auch Siliziumkarbid absorbieren kein sichtbares Licht, das Si-Substrat absorbiert Licht ernsthaft und die Effizienz der LED-Lichtleistung ist gering.
Zusammenfassend gibt es viele Vorteile für das Züchten von Galliumnitrid auf Siliciumcarbidsubstraten. Aufgrund der hervorragenden Siliciumcarbideigenschaften ist die Anwendung von SiC-Wafern weit verbreitet.
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