Os campos de aplicação do wafer de SiC são divididos principalmente em campo de potência eletrônica, campo de radiofrequência, campo fotoelétrico e outros campos. Entre eles, o campo de potência eletrônico e o campo de radiofrequência são as aplicações mais importantes, e as vantagens do uso de wafer de carboneto de silício são óbvias. O artigo apresenta principalmente o motivo da aplicação do wafer de SiC em dispositivos de radiofrequência.
1. GaN HEMT Devices on the SiC Wafer Application in the 5G Base Station
Atualmente, um amplificador de potência (abreviação de PA) usado em estações base adota principalmente uma tecnologia de semicondutor de óxido de metal difundido lateralmente (LDMOS) à base de silício. A AAU da estação base 5G adota a tecnologia Massive MIMO (enorme entrada múltipla, saída múltipla), resultando em maior potência do equipamento.
A tecnologia LDMOS tem limitações em aplicações de alta frequência: a largura de banda dos amplificadores de potência LDMOS será muito reduzida à medida que a frequência aumenta, LDMOS só é eficaz na faixa de frequência de 3,5 GHz. Portanto, o desempenho do LDMOS na banda de 3,5 GHz começou a diminuir significativamente.
Além disso, a potência da AAU das estações base 5G aumentou muito, e a potência do setor único aumentou de cerca de 50W no período 4G para cerca de 200W no período 5G. O processo LDMOS tradicional é difícil de atender aos requisitos de desempenho. O mercado atual de PA, incluindo aqueles usados em estações base e telefones celulares, o processo de fabricação inclui principalmente LDMOS, GaAs, GaN tradicionais.
Com o desenvolvimento da tecnologia de material semicondutor, o nitreto de gálio (GaN) está se tornando a principal rota técnica para PA nas bandas de frequência média-alta. As vantagens da tecnologia GaN incluem melhoria da eficiência energética, largura de banda mais ampla, maior densidade de potência e menor volume, tornando-a uma substituição bem-sucedida do LDMOS.
GaAs tem uma frequência de micro-ondas e uma tensão de trabalho de 5 V a 7 V e tem sido amplamente utilizado em PA por muitos anos. A tecnologia LDMOS baseada em silício tem uma tensão de trabalho de 28 V e tem sido usada no campo das telecomunicações por muitos anos, e desempenha um papel principalmente em frequências abaixo de 4 GHz. Mas não é amplamente utilizado em aplicações de banda larga. Em contraste, GaN tem uma tensão operacional de 28 V a 50 V, com uma densidade de potência e frequência de corte mais altas, e pode alcançar uma solução altamente integrada em aplicações MIMO.
As antenas Massive-MIMO requerem que os dispositivos sejam miniaturizados. O tamanho dos dispositivos feitos de GaN é de 1/6 a 1/4 do tamanho do LDMOS. Comparado com LDMOS, GaN pode aumentar a potência de 4 a 6 vezes por unidade de área.
A aplicação de peças de alta frequência e alta potência é o campo dominante do semicondutor de terceira geração GaN. Dispositivos GaN HMET em substrato de SiC podem ser usados.
2. Por que escolher o substrato de carboneto de silício?
Cada índice dos materiais do substrato, como a rugosidade da superfície, o coeficiente de expansão térmica, o coeficiente de condutividade térmica e o grau de correspondência da rede com o material epitaxial, tem um impacto profundo na produção dos dispositivos. Os requisitos de desempenho e as explicações a serem investigados para materiais de substrato qualificados são mostrados na figura a seguir:
| Requisitos de desempenho do material de substrato | Explicação |
| Boas características de estrutura cristalina | O material epitaxial e o substrato têm a mesma estrutura cristalina ou semelhante; pequena incompatibilidade de constante de rede, bom desempenho de cristal e baixa densidade de defeito |
| Boas características de interface | Propício para a nucleação de materiais epitaxiais e forte adesão |
| Boa estabilidade química | Não é fácil decompor e corroer na temperatura e na atmosfera de crescimento epitaxial. |
| Bom desempenho térmico | A condutividade térmica é boa e a incompatibilidade térmica é pequena. A combinação do coeficiente de expansão térmica entre a parte inferior e o filme epitaxial é muito importante. Se houver muita diferença, a qualidade do filme epitaxial diminuirá. |
| Boa condutividade | A estrutura para cima e para baixo pode ser feita. |
| Bom desempenho óptico | A luz emitida pelo dispositivo fabricado é menos absorvida pelo substrato. |
| Boa processabilidade | O dispositivo é fácil de processar, incluindo desbaste, polimento e corte, etc. |
| Preço baixo | O desenvolvimento da industrialização exige que o custo não seja muito alto. |
| Tamanho grande | Os fios requerem um diâmetro não inferior a 2 polegadas |
3. Comparison for Sapphire, Silicon and Silicon Carbide
Incompatibilidade. Para a taxa de incompatibilidade de rede GaN, safira é 13,9%, silício é 16,9% e carboneto de silício é apenas 3,4%. A taxa de incompatibilidade térmica da safira é 30,3%, a do Si é 53,5% e apenas 15,9% para o cristal único de SiC. Portanto, em termos de características da estrutura cristalina, a estrutura cristalina de 4H-SiC e 6H-SiC e GaN são ambas estruturas wurtzita, com a menor taxa de incompatibilidade de rede e taxa de incompatibilidade térmica. Assim, a aplicação do wafer de SiC é para o crescimento de camadas epitaxiais de GaN de alta qualidade.
Condutividade. Safira é isolante e não pode fazer dispositivos verticais.
Condutividade térmica. A condutividade térmica da safira é apenas 0,3W · cm-1 · K-1, e a condutividade térmica do silício é 1,48W · cm-1 · K-1, que é muito menor do que a do carboneto de silício 3,4W · cm- 1 · K-1.
Desempenho óptico. A safira e o carboneto de silício não absorvem a luz visível, o substrato de Si absorve a luz seriamente e a eficiência da saída de luz do LED é baixa.
Em resumo, existem muitas vantagens para o cultivo de nitreto de gálio em substratos de carboneto de silício. Devido à excelência das propriedades do carboneto de silício, a aplicação do wafer de SiC é ampla.
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