Applikationsfälten för SiC-plattan är huvudsakligen uppdelade i det elektroniska kraftfältet, radiofrekvensfältet, det fotoelektriska fältet och andra fält. Bland dem är det elektroniska kraftfältet och radiofrekvensfältet de viktigaste applikationerna, och fördelarna med användning av kiselkarbidskivor är uppenbara. Artikeln introducerar främst orsaken till SiC-wafer-applikationen i radiofrekventa enheter.
1. GaN HEMT Devices on the SiC Wafer Application in the 5G Base Station
För närvarande använder en effektförstärkare (förkortat PA) som används i basstationer huvudsakligen en kiselbaserad lateral diffund metalloxid-halvledarteknik (LDMOS). 5G-basstationen AAU antar Massive MIMO-teknik (massiv multipel ingång multipelutgång), vilket resulterar i ökad utrustningskraft.
LDMOS-tekniken har begränsningar i högfrekventa applikationer: bandbredden för LDMOS-effektförstärkare kommer att minskas kraftigt när frekvensen ökar, LDMOS är bara effektivt i frekvensområdet 3,5 GHz. Därför har prestandan för LDMOS i 3,5 GHz-bandet börjat minska avsevärt.
Dessutom har AAU-effekten för 5G-basstationer ökat kraftigt och den enskilda sektorns effekt har ökat från cirka 50W under 4G-perioden till cirka 200W under 5G-perioden. Den traditionella LDMOS-processen är svår att uppfylla prestandakraven. Den nuvarande PA-marknaden, inklusive de som används i basstationer och mobiltelefoner, omfattar tillverkningsprocessen främst traditionella LDMOS, GaAs, GaN.
Med utvecklingen av halvledarmaterialteknologi blir galliumnitrid (GaN) den viktigaste tekniska vägen för PA i mellanhögfrekvensbanden. Fördelarna med GaN-teknik inkluderar förbättrad energieffektivitet, bredare bandbredd, större effekttäthet och mindre volym, vilket gör den till en framgångsrik ersättning för LDMOS.
GaAs har en mikrovågsfrekvens och en arbetsspänning på 5V till 7V och har använts i stor utsträckning i PA i många år. Den kiselbaserade LDMOS-tekniken har en arbetsspänning på 28V och har använts inom telekommunikationsområdet i många år och spelar huvudsakligen en roll i frekvenser under 4 GHz. Men det används inte i stor utsträckning i bredbandsapplikationer. Däremot har GaN en driftspänning på 28V till 50V, med högre effekttäthet och avstängningsfrekvens, och kan uppnå en mycket integrerad lösning i MIMO-applikationer.
Massiva MIMO-antenner kräver att enheter miniatyriseras. Storleken på enheter gjorda av GaN är 1/6 till 1/4 av LDMOS-storleken. Jämfört med LDMOS kan GaN öka effekten med 4 till 6 gånger per ytenhet.
Tillämpningen av högfrekventa och högeffektiva delar är det dominerande fältet för tredje generationens halvledare GaN. GaN HMET-enheter på SiC-substrat kan användas.
2. Varför välja kiselkarbidsubstrat?
Varje index på substratmaterialen, såsom ytjämnhet, värmeutvidgningskoefficient, värmekonduktivitetskoefficient och graden av gittermatchning med det epitaxiella materialet, har en djupgående inverkan på tillverkningen av enheterna. Prestandakraven och förklaringarna som ska undersökas för kvalificerade substratmaterial visas i följande bild:
| Substratmaterialets prestandakrav | Förklaring |
| Bra kristallstrukturegenskaper | Det epitaxiella materialet och substratet har samma eller liknande kristallstruktur; litet galler konstant ojämnhet, bra kristallprestanda och låg defektdensitet |
| Bra gränssnittsegenskaper | Bidrar till kärnbildning av epitaxiella material och stark vidhäftning |
| God kemisk stabilitet | Det är inte lätt att sönderdelas och korrodera i temperaturen och atmosfären för epitaxial tillväxt. |
| Bra termisk prestanda | Värmeledningsförmågan är bra och den termiska felparningen är liten. Matchningen av den termiska expansionskoefficienten mellan botten och epitaxialfilmen är mycket viktig. Om det är för mycket skillnad kommer kvaliteten på epitaxialfilmen att minska. |
| Bra konduktivitet | Upp och ner struktur kan göras. |
| Bra optisk prestanda | Ljuset från den tillverkade anordningen absorberas mindre av substratet. |
| Bra bearbetbarhet | Enheten är enkel att bearbeta, inklusive gallring, polering och skärning etc. |
| Lågt pris | Utvecklingen av industrialiseringen kräver att kostnaden inte ska vara för hög. |
| Stor storlek | Strängar kräver en diameter som inte är mindre än 2 tum |
3. Comparison for Sapphire, Silicon and Silicon Carbide
Missanpassning. För GaN-gittermatchning är safir 13,9%, kisel 16,9% och kiselkarbid är bara 3,4%. Den termiska ojämnhetsgraden för safir är 30,3%, den för Si är 53,5% och endast 15,9% för SiC-enkristall. Därför, i termer av kristallstrukturegenskaper, är kristallstrukturen av 4H-SiC och 6H-SiC och GaN båda wurtzitstrukturer, med den lägsta gitterfel och hastighet. Således är tillämpningen av SiC-skivor för odling av högkvalitativa GaN-epitaxialskikt.
Ledningsförmåga. Safir är isolerande och kan inte göra vertikala enheter.
Värmeledningsförmåga. Safirens värmeledningsförmåga är endast 0,3 W · cm-1 · K-1 och kiselns värmeledningsförmåga är 1,48 W · cm-1 · K-1, vilket är mycket lägre än för kiselkarbid 3,4 W · cm- 1 · K-1.
Optisk prestanda. Både safir och kiselkarbid absorberar inte synligt ljus, Si-substratet absorberar ljus på allvar och effektiviteten hos LED-ljuseffekten är låg.
Sammanfattningsvis finns det många fördelar för odling av galliumnitrid på kiselkarbidsubstrat. På grund av att kiselkarbidegenskaperna är utmärkta är applikationen för SiC-skivor allmänt.
För mer information, kontakta oss via e-post på victorchan@powerwaywafer.com och powerwaymaterial@gmail.com.