Các trường ứng dụng tấm SiC chủ yếu được chia thành trường công suất điện tử, trường tần số vô tuyến, trường quang điện và các trường khác. Trong số đó, trường công suất điện tử và trường tần số vô tuyến là những ứng dụng quan trọng nhất, và lợi thế của việc sử dụng tấm silicon cacbua là rõ ràng. Bài viết chủ yếu giới thiệu lý do ứng dụng SiC wafer trong các thiết bị tần số vô tuyến.
1. GaN HEMT Devices on the SiC Wafer Application in the 5G Base Station
Hiện tại, bộ khuếch đại công suất (viết tắt là PA) được sử dụng trong các trạm gốc chủ yếu áp dụng công nghệ bán dẫn oxit kim loại khuếch tán theo chiều (LDMOS) dựa trên silicon. Trạm gốc 5G AAU áp dụng công nghệ Massive MIMO (nhiều đầu vào nhiều đầu ra), giúp tăng công suất thiết bị.
Công nghệ LDMOS có những hạn chế trong các ứng dụng tần số cao: băng thông của bộ khuếch đại công suất LDMOS sẽ bị giảm mạnh khi tần số tăng lên, LDMOS chỉ hiệu quả trong dải tần 3.5GHz. Do đó, hiệu suất của LDMOS ở băng tần 3.5GHz đã bắt đầu giảm đáng kể.
Ngoài ra, công suất AAU của các trạm gốc 5G đã được tăng lên rất nhiều và công suất đơn ngành đã tăng từ khoảng 50W trong giai đoạn 4G lên khoảng 200W trong giai đoạn 5G. Quy trình LDMOS truyền thống khó đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất. Thị trường PA hiện tại, bao gồm cả những thiết bị được sử dụng trong các trạm gốc và điện thoại di động, quy trình sản xuất chủ yếu bao gồm LDMOS, GaAs, GaN truyền thống.
Với sự phát triển của công nghệ vật liệu bán dẫn, gali nitride (GaN) đang trở thành tuyến kỹ thuật chính cho PA ở các dải tần số trung - cao. Những ưu điểm của công nghệ GaN bao gồm cải thiện hiệu suất năng lượng, băng thông rộng hơn, mật độ công suất lớn hơn và khối lượng nhỏ hơn, giúp nó thay thế thành công LDMOS.
GaAs có tần số vi sóng và điện áp làm việc từ 5V đến 7V, và đã được sử dụng rộng rãi trong PA trong nhiều năm. Công nghệ LDMOS dựa trên silicon có điện áp làm việc là 28V và đã được sử dụng trong lĩnh vực viễn thông trong nhiều năm, và nó chủ yếu đóng vai trò ở các tần số dưới 4GHz. Nhưng nó không được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng băng thông rộng. Ngược lại, GaN có điện áp hoạt động từ 28V đến 50V, với mật độ công suất và tần số cắt cao hơn, và có thể đạt được giải pháp tích hợp cao trong các ứng dụng MIMO.
Ăng-ten Massive-MIMO yêu cầu thiết bị phải được thu nhỏ. Kích thước của thiết bị làm bằng GaN bằng 1/6 đến 1/4 kích thước LDMOS. So với LDMOS, GaN có thể tăng sức mạnh từ 4 đến 6 lần trên một đơn vị diện tích.
Ứng dụng của các bộ phận tần số cao và công suất lớn là lĩnh vực chủ đạo của GaN bán dẫn thế hệ thứ ba. Có thể sử dụng thiết bị GaN HMET trên nền SiC.
2. Tại sao chọn chất nền cacbua silic?
Mỗi chỉ số của vật liệu nền, chẳng hạn như độ nhám bề mặt, hệ số giãn nở nhiệt, hệ số dẫn nhiệt và mức độ phù hợp của mạng tinh thể với vật liệu bề mặt, đều có ảnh hưởng sâu sắc đến việc sản xuất các thiết bị. Các yêu cầu về tính năng và giải thích cần được nghiên cứu đối với vật liệu nền đủ tiêu chuẩn được thể hiện trong hình sau:
| Yêu cầu về hiệu suất vật liệu nền | Giải trình |
| Đặc điểm cấu trúc tinh thể tốt | Vật liệu biểu mô và chất nền có cấu trúc tinh thể giống nhau hoặc tương tự nhau; sự không phù hợp hằng số mạng nhỏ, hiệu suất tinh thể tốt và mật độ khuyết tật thấp |
| Đặc điểm giao diện tốt | Dẫn đến sự tạo mầm của vật liệu biểu mô và kết dính mạnh mẽ |
| Ổn định hóa học tốt | Nó không dễ bị phân hủy và ăn mòn trong nhiệt độ và môi trường của sự phát triển biểu mô. |
| Hiệu suất nhiệt tốt | Độ dẫn nhiệt tốt và sự sai lệch nhiệt nhỏ. Sự phù hợp của hệ số giãn nở nhiệt giữa đáy và màng biểu mô là rất quan trọng. Nếu chênh lệch quá nhiều, chất lượng của phim biểu mô sẽ giảm. |
| Độ dẫn điện tốt | Cấu trúc lên và xuống có thể được thực hiện. |
| Hiệu suất quang học tốt | Ánh sáng do thiết bị chế tạo phát ra ít bị hấp thụ bởi chất nền. |
| Khả năng xử lý tốt | Thiết bị này dễ dàng gia công, bao gồm mài mỏng, đánh bóng và cắt, v.v. |
| Giá thấp | Sự phát triển của công nghiệp hóa đòi hỏi chi phí không được quá cao. |
| Kích thước lớn | Các sợi yêu cầu đường kính không nhỏ hơn 2 inch |
3. Comparison for Sapphire, Silicon and Silicon Carbide
Không khớp. Đối với tỷ lệ không phù hợp mạng tinh thể GaN, sapphire là 13,9%, silicon là 16,9% và cacbua silic chỉ là 3,4%. Tỷ lệ không phù hợp nhiệt của sapphire là 30,3%, của Si là 53,5% và chỉ 15,9% đối với tinh thể đơn SiC. Vì vậy, về đặc điểm cấu trúc tinh thể, cấu trúc tinh thể của 4H-SiC và 6H-SiC và GaN đều là cấu trúc wurtzite, có tỷ lệ sai lệch mạng tinh thể và tỷ lệ sai lệch nhiệt thấp nhất. Vì vậy, ứng dụng của SiC wafer là để phát triển các lớp biểu mô GaN chất lượng cao.
Độ dẫn nhiệt. Sapphire có tính cách nhiệt và nó không thể tạo ra các thiết bị thẳng đứng.
Dẫn nhiệt. Độ dẫn nhiệt của sapphire chỉ là 0,3W · cm-1 · K-1, và độ dẫn nhiệt của silicon là 1,48W · cm-1 · K-1, thấp hơn nhiều so với silicon carbide 3,4W · cm- 1 · K-1.
Hiệu suất quang học. Cả sapphire và silicon cacbua đều không hấp thụ ánh sáng nhìn thấy, chất nền Si hấp thụ ánh sáng nghiêm trọng và hiệu suất của đèn LED phát ra thấp.
Tóm lại, có nhiều thuận lợi cho việc trồng gali nitrua trên giá thể cacbua silic. Do tính chất tuyệt vời của cacbua silic, ứng dụng của tấm SiC rất rộng rãi.
Để biết thêm thông tin, vui lòng liên hệ với chúng tôi qua email victorchan@powerwaywafer.com và powerwaymaterial@gmail.com.