Применение SiC Wafer в радиочастотных устройствах

Применение SiC Wafer в радиочастотных устройствах

Области применения SiC-пластины в основном делятся на электронное силовое поле, радиочастотное поле, фотоэлектрическое поле и другие поля. Среди них наиболее важными приложениями являются электронное силовое поле и радиочастотное поле, и преимущества использования пластин из карбида кремния очевидны. В статье в основном представлена ​​причина использования SiC-пластин в радиочастотных устройствах.

1. GaN HEMT Devices on the SiC Wafer Application in the 5G Base Station

В настоящее время усилители мощности (сокращенно PA), используемые в базовых станциях, в основном используют кремниевую полупроводниковую технологию с латеральной диффузией на основе оксидов металлов (LDMOS). Базовая станция 5G AAU использует технологию Massive MIMO (массивное множество входов и выходов), что приводит к увеличению мощности оборудования.

Технология LDMOS имеет ограничения в высокочастотных приложениях: полоса пропускания усилителей мощности LDMOS будет значительно уменьшаться с увеличением частоты, LDMOS эффективен только в частотном диапазоне 3,5 ГГц. Таким образом, производительность LDMOS в диапазоне 3,5 ГГц начала значительно снижаться.

Кроме того, мощность AAU базовых станций 5G была значительно увеличена, а мощность в одном секторе увеличилась с примерно 50 Вт в период 4G до примерно 200 Вт в период 5G. Традиционный процесс LDMOS трудно удовлетворить требованиям производительности. Текущий рынок PA, включая те, которые используются в базовых станциях и мобильных телефонах, производственный процесс в основном включает традиционные LDMOS, GaAs, GaN.

С развитием технологии полупроводниковых материалов нитрид галлия (GaN) становится основным техническим средством для PA в диапазонах средних и высоких частот. Преимущества технологии GaN включают повышение энергоэффективности, более широкую полосу пропускания, большую плотность мощности и меньший объем, что делает ее успешной заменой LDMOS.

GaAs имеет микроволновую частоту и рабочее напряжение от 5 В до 7 В и широко используется в PA в течение многих лет. Технология LDMOS на основе кремния имеет рабочее напряжение 28 В и используется в области телекоммуникаций в течение многих лет, и в основном она играет роль на частотах ниже 4 ГГц. Но широко не используется в широкополосных приложениях. Напротив, GaN имеет рабочее напряжение от 28 В до 50 В, с более высокой плотностью мощности и частотой отсечки и может обеспечить высокоинтегрированное решение в приложениях MIMO.

Антенны Massive-MIMO требуют, чтобы устройства были миниатюрными. Размер устройств из GaN составляет от 1/6 до 1/4 размера LDMOS. По сравнению с LDMOS, GaN может увеличить мощность в 4-6 раз на единицу площади.

Применение высокочастотных и высокомощных компонентов является доминирующей областью полупроводникового GaN третьего поколения. Могут использоваться устройства GaN HMET на подложке SiC.

2. Почему выбирают подложку из карбида кремния?

Каждый показатель материалов подложки, такой как шероховатость поверхности, коэффициент теплового расширения, коэффициент теплопроводности и степень согласования решетки с эпитаксиальным материалом, оказывает сильное влияние на изготовление устройств. Требования к характеристикам и пояснения, которые необходимо изучить для аттестованных материалов подложки, показаны на следующем рисунке:

Требования к характеристикам материала подложки объяснение
Хорошие характеристики кристаллической структуры Эпитаксиальный материал и подложка имеют одинаковую или подобную кристаллическую структуру; небольшое рассогласование постоянных решетки, хорошие характеристики кристалла и низкая плотность дефектов
Хорошие интерфейсные характеристики Способствует зарождению эпитаксиальных материалов и прочной адгезии
Хорошая химическая стабильность Его нелегко разложить и корродировать в температуре и атмосфере эпитаксиального роста.
Хорошие тепловые характеристики Теплопроводность хорошая, а тепловое несоответствие невелико. Согласование коэффициента теплового расширения между дном и эпитаксиальной пленкой очень важно. Если разница будет слишком большой, качество эпитаксиальной пленки снизится.
Хорошая проводимость Можно сделать структуру вверх и вниз.
Хорошие оптические характеристики Свет, излучаемый изготовленным устройством, меньше поглощается подложкой.
Хорошая технологичность Устройство легко обрабатывается, включая истончение, полировку, резку и т. Д.
Низкая цена Развитие индустриализации требует, чтобы стоимость не была слишком высокой.
Большой размер Для прядей требуется диаметр не менее 2 дюймов.

 

3. Comparison for Sapphire, Silicon and Silicon Carbide

Несоответствие. Для степени несоответствия кристаллической решетки GaN сапфир составляет 13,9%, кремний - 16,9% и карбид кремния - всего 3,4%. Коэффициент теплового рассогласования сапфира составляет 30,3%, Si - 53,5% и только 15,9% для монокристалла SiC. Следовательно, с точки зрения характеристик кристаллической структуры, кристаллическая структура 4H-SiC, 6H-SiC и GaN является структурами вюрцита с самой низкой скоростью рассогласования решеток и скоростью теплового рассогласования. Таким образом, пластина SiC используется для выращивания эпитаксиальных слоев GaN высокого качества.

Проводимость. Сапфир изолирующий, из него нельзя делать вертикальные устройства.

Теплопроводность. Теплопроводность сапфира составляет всего 0,3 Вт · см-1 · K-1, а теплопроводность кремния составляет 1,48 Вт · см-1 · K-1, что намного ниже, чем у карбида кремния 3,4 Вт · см-1. 1 · К-1.

Оптические характеристики. И сапфир, и карбид кремния не поглощают видимый свет, подложка из кремния серьезно поглощает свет, а эффективность светоотдачи светодиодов низкая.

Таким образом, выращивание нитрида галлия на подложках из карбида кремния дает много преимуществ. Благодаря превосходным свойствам карбида кремния пластины SiC находят широкое применение.

Для получения дополнительной информации, пожалуйста, свяжитесь с нами по электронной почте по адресу victorchan@powerwaywafer.com и powerwaymaterial@gmail.com.

Поделиться этой записью