SiCウェーハの応用分野は、主に電力分野、高周波分野、光電分野、その他の分野に分けられます。 その中で、電力分野と無線周波数分野が最も重要な用途であり、炭化ケイ素ウェーハの使用の利点は明らかです。 この記事では、主に無線周波数デバイスにSiCウェーハを適用する理由を紹介します。
1. GaN HEMT Devices on the SiC Wafer Application in the 5G Base Station
現在、基地局で使用されているパワーアンプ（略してPA）は、主にシリコンベースの横方向拡散金属酸化膜半導体（LDMOS）技術を採用しています。 5G基地局AAUは、Massive MIMO（Massive Multiple Input Multiple Output）テクノロジーを採用しているため、機器の電力が増加します。
LDMOSテクノロジーには、高周波アプリケーションに制限があります。LDMOSパワーアンプの帯域幅は、周波数が高くなるにつれて大幅に減少します。LDMOSは、3.5GHzの周波数範囲でのみ有効です。 したがって、3.5GHz帯域でのLDMOSのパフォーマンスは大幅に低下し始めています。
さらに、5G基地局のAAU電力が大幅に増加し、単一セクターの電力が4G期間の約50Wから5G期間の約200Wに増加しました。 従来のLDMOSプロセスは、パフォーマンス要件を満たすのが困難です。 基地局や携帯電話で使用されているものを含む現在のPA市場では、製造プロセスには主に従来のLDMOS、GaAs、GaNが含まれます。
半導体材料技術の発展に伴い、窒化ガリウム（GaN）が中高周波数帯のPAの主要な技術ルートになりつつあります。 GaNテクノロジーの利点には、エネルギー効率の向上、より広い帯域幅、より大きな電力密度、およびより小さなボリュームが含まれ、LDMOSの代替として成功しています。
GaAsはマイクロ波周波数と5V〜7Vの動作電圧を持ち、PAで長年広く使用されています。 シリコンベースのLDMOS技術は28Vの動作電圧を持ち、電気通信分野で長年使用されており、主に4GHz未満の周波数で役割を果たします。 ただし、ブロードバンドアプリケーションでは広く使用されていません。 対照的に、GaNの動作電圧は28V〜50Vで、電力密度とカットオフ周波数が高く、MIMOアプリケーションで高度に統合されたソリューションを実現できます。
Massive-MIMOアンテナでは、デバイスを小型化する必要があります。 GaN製のデバイスのサイズは、LDMOSサイズの1 / 6〜1 / 4です。 LDMOSと比較して、GaNは単位面積あたり4〜6倍の電力を増やすことができます。
高周波および高出力部品のアプリケーションは、第3世代半導体GaNの主要な分野です。 SiC基板上のGaNHMETデバイスを使用できます。
2.なぜ炭化ケイ素基板を選ぶのですか？
表面粗さ、熱膨張係数、熱伝導率、エピタキシャル材料との格子整合度など、基板材料の各指標は、デバイスの製造に大きな影響を与えます。 適格な基板材料について調査する性能要件と説明を次の図に示します。
| 基板材料の性能要件 | 説明 |
| 良好な結晶構造特性 | エピタキシャル材料と基板は、同じまたは類似の結晶構造を持っています。 小さな格子定数の不一致、良好な結晶性能、および低い欠陥密度 |
| 優れたインターフェース特性 | エピタキシャル材料の核形成と強力な密着性を促進します |
| 良好な化学的安定性 | エピタキシャル成長の温度と雰囲気では、分解と腐食は容易ではありません。 |
| 良好な熱性能 | 熱伝導率は良好で、熱のミスマッチは小さいです。 底面とエピタキシャル膜の熱膨張係数のマッチングは非常に重要です。 差が大きすぎると、エピタキシャル膜の品質が低下します。 |
| 良好な導電性 | 上下構造が作れます。 |
| 良好な光学性能 | 製造されたデバイスによって放出された光は、基板によってあまり吸収されない。 |
| 良好な加工性 | この装置は、間引き、研磨、切断などの処理が簡単です。 |
| 低価格 | 工業化の進展には、コストが高すぎないことが必要です。 |
| 大きいサイズ | ストランドには2インチ以上の直径が必要です |
3. Comparison for Sapphire, Silicon and Silicon Carbide
ミスマッチ。 GaN格子不整合率の場合、サファイアは13.9％、シリコンは16.9％、炭化ケイ素はわずか3.4％です。 サファイアの熱不整合率は30.3％、Siの熱不整合率は53.5％、SiC単結晶の熱不整合率はわずか15.9％です。 したがって、結晶構造特性の観点から、4H-SiCと6H-SiCおよびGaNの結晶構造は両方ともウルツ鉱型構造であり、格子不整合率と熱不整合率が最も低くなっています。 したがって、SiCウェーハの用途は、高品質のGaNエピタキシャル層を成長させることです。
導電率。 サファイアは絶縁性であり、垂直デバイスを作ることはできません。
熱伝導率。 サファイアの熱伝導率はわずか0.3W・cm-1・K-1であり、シリコンの熱伝導率は1.48W・cm-1・K-1であり、炭化ケイ素3.4W・cm-よりもはるかに低いです。 1・K-1。
光学性能。 サファイアと炭化ケイ素はどちらも可視光を吸収せず、Si基板は光を真剣に吸収し、LED光出力の効率は低くなります。
要約すると、炭化ケイ素基板上に窒化ガリウムを成長させることには多くの利点があります。 炭化ケイ素の優れた特性により、SiCウェーハの用途は広くなっています。
詳細については、メールでお問い合わせください。 victorchan@powerwaywafer.com と powerwaymaterial@gmail.com.