Les domaines d'application des plaquettes de SiC sont principalement divisés en champ de puissance électronique, champ de radiofréquence, champ photoélectrique et autres champs. Parmi eux, le champ de puissance électronique et le champ de radiofréquence sont les applications les plus importantes, et les avantages de l'utilisation de plaquettes de carbure de silicium sont évidents. L'article présente principalement la raison de l'application de la plaquette de SiC dans les appareils à radiofréquence.
1. GaN HEMT Devices on the SiC Wafer Application in the 5G Base Station
Actuellement, un amplificateur de puissance (PA en abrégé) utilisé dans les stations de base adopte principalement une technologie de semi-conducteur à oxyde métallique à diffusion latérale à base de silicium (LDMOS). La station de base 5G AAU adopte la technologie Massive MIMO (Massive Multiple Input Multiple Output), ce qui entraîne une augmentation de la puissance de l'équipement.
La technologie LDMOS a des limites dans les applications haute fréquence: la bande passante des amplificateurs de puissance LDMOS sera considérablement réduite à mesure que la fréquence augmente, LDMOS n'est efficace que dans la gamme de fréquences de 3,5 GHz. Par conséquent, les performances de LDMOS dans la bande 3,5 GHz ont commencé à décliner de manière significative.
En outre, la puissance AAU des stations de base 5G a été considérablement augmentée et la puissance à un seul secteur est passée d'environ 50 W pendant la période 4G à environ 200 W pendant la période 5G. Le processus LDMOS traditionnel est difficile de répondre aux exigences de performance. Le marché actuel des PA, y compris ceux utilisés dans les stations de base et les téléphones mobiles, le processus de fabrication comprend principalement LDMOS traditionnel, GaAs, GaN.
Avec le développement de la technologie des matériaux semi-conducteurs, le nitrure de gallium (GaN) devient la principale voie technique pour l'AP dans les bandes de fréquences moyennes à hautes. Les avantages de la technologie GaN comprennent l'amélioration de l'efficacité énergétique, une bande passante plus large, une plus grande densité de puissance et un volume plus petit, ce qui en fait un remplacement réussi pour LDMOS.
GaAs a une fréquence micro-ondes et une tension de fonctionnement de 5V à 7V, et a été largement utilisé dans l'AP depuis de nombreuses années. La technologie LDMOS à base de silicium a une tension de fonctionnement de 28V et est utilisée dans le domaine des télécommunications depuis de nombreuses années, et elle joue principalement un rôle dans les fréquences inférieures à 4 GHz. Mais il n'est pas largement utilisé dans les applications à large bande. En revanche, GaN a une tension de fonctionnement de 28 V à 50 V, avec une densité de puissance et une fréquence de coupure plus élevées, et peut réaliser une solution hautement intégrée dans les applications MIMO.
Les antennes Massive-MIMO nécessitent que les appareils soient miniaturisés. La taille des appareils en GaN est de 1/6 à 1/4 de la taille LDMOS. Par rapport au LDMOS, le GaN peut augmenter la puissance de 4 à 6 fois par unité de surface.
L'application de pièces haute fréquence et haute puissance est le domaine dominant du semi-conducteur GaN de troisième génération. Des dispositifs GaN HMET sur substrat SiC peuvent être utilisés.
2. Pourquoi choisir un substrat en carbure de silicium?
Chaque indice des matériaux du substrat, comme la rugosité de surface, le coefficient de dilatation thermique, le coefficient de conductivité thermique et le degré de mise en correspondance du réseau avec le matériau épitaxial, a un impact profond sur la production des dispositifs. Les exigences de performance et les explications à étudier pour les matériaux de substrat qualifiés sont présentées dans la figure suivante:
| Exigences de performance du matériau de substrat | Explication |
| Bonnes caractéristiques de structure cristalline | Le matériau épitaxial et le substrat ont une structure cristalline identique ou similaire; petite discordance constante de réseau, bonnes performances cristallines et faible densité de défauts |
| Bonnes caractéristiques d'interface | Propice à la nucléation des matériaux épitaxiaux et à une forte adhérence |
| Bonne stabilité chimique | Il n'est pas facile de se décomposer et de se corroder à la température et à l'atmosphère de croissance épitaxiale. |
| Bonnes performances thermiques | La conductivité thermique est bonne et le décalage thermique est faible. L'adaptation du coefficient de dilatation thermique entre le fond et le film épitaxial est très importante. S'il y a trop de différence, la qualité du film épitaxial diminuera. |
| Bonne conductivité | Une structure de haut en bas peut être créée. |
| Bonnes performances optiques | La lumière émise par le dispositif fabriqué est moins absorbée par le substrat. |
| Bonne aptitude au traitement | L'appareil est facile à traiter, y compris l'amincissement, le polissage et la coupe, etc. |
| Bas prix | Le développement de l'industrialisation exige que le coût ne soit pas trop élevé. |
| Grande taille | Les brins nécessitent un diamètre d'au moins 2 pouces |
3. Comparison for Sapphire, Silicon and Silicon Carbide
Décalage. Pour le taux de mésappariement du réseau GaN, le saphir est de 13,9%, le silicium est de 16,9% et le carbure de silicium n'est que de 3,4%. Le taux de désadaptation thermique du saphir est de 30,3%, celui du Si est de 53,5%, et de seulement 15,9% pour le monocristal de SiC. Par conséquent, en termes de caractéristiques de structure cristalline, la structure cristalline de 4H-SiC et 6H-SiC et GaN sont toutes deux des structures de wurtzite, avec le taux de mésappariement de réseau et le taux de mésappariement thermique les plus bas. Ainsi, l'application de la plaquette de SiC est pour la croissance de couches épitaxiales de GaN de haute qualité.
Conductivité. Le saphir est isolant et ne peut pas fabriquer d'appareils verticaux.
Conductivité thermique. La conductivité thermique du saphir n'est que de 0,3W · cm-1 · K-1, et la conductivité thermique du silicium est de 1,48W · cm-1 · K-1, ce qui est bien inférieur à celui du carbure de silicium 3,4W · cm- 1 · K-1.
Performances optiques. Le saphir et le carbure de silicium n'absorbent pas la lumière visible, le substrat en Si absorbe la lumière sérieusement et le rendement de la lumière LED est faible.
En résumé, la culture de nitrure de gallium sur des substrats en carbure de silicium présente de nombreux avantages. En raison de l'excellence des propriétés du carbure de silicium, l'application des plaquettes de SiC est largement répandue.
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