Tổng quan về công nghệ bán dẫn thế hệ thứ ba: GaN và SiC

Trong báo cáo "Tổng quan về công nghệ bán dẫn thế hệ thứ ba: GaN và SiC", tác giả thống kê và đưa ra cái nhìn tổng quan về công nghệ bán dẫn thế hệ thứ ba; so sánh đặc trưng bán dẫn, phạm vi ứng dụng của chất bán dẫn GaN và SiC. Các ưu điểm nổi trội của chất bán dẫn SiC và GaN so với Si được thể hiện thông qua kết quả mô phỏng mạch với mô hình MOSFET của hãng Microsemi trên phần mềm Simplorer. Mời các bạn cùng tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tổng quan về công nghệ bán dẫn thế hệ thứ ba: GaN và SiC HỘI NGHỊ TOÀN QUỐC KHOA HỌC TRÁI ĐẤT VÀ TÀI NGUYÊN VỚI PHÁT TRIỂN BỀN VỮNG (ERSD 2022) Tổng quan về công nghệ bán dẫn thế hệ thứ ba: GaN và SiC Nguyễn Tiến Sỹ*, Hà Thị Chúc Trường Đại học Mỏ - Địa chấtTÓM TẮTTrong điện tử công suất không thể thiếu linh kiện bán dẫn công suất lớn như MOSFET hay IGBT. Thế hệthứ hai của công nghệ bán dẫn, các linh kiện bán dẫn công suất lớn được chế tạo từ Si. Tuy nhiên, nhượcđiểm của Si là hoạt động không ổn định ở vùng nhiệt độ cao; công suất đạt đươc không cao nên thườngphải ghép nối tiếp/song song nhiều tầng linh kiện bán dẫn để tăng công suất; điều này làm tăng độ phứctạp của mạch điều khiển và có thể gây ra hiện tượng cháy nổ khi điều khiển chuyển mạch bị trùng dẫn.Thế hệ bán dẫn thứ ba ra đời với chất bán dẫn GaN và SiC đáp ứng nhu cầu phát triển nhanh của các thiếtbị công suất lớn (ô tô điện, tàu điện, trạm sạc pin,…), các linh kiện hoạt động ở môi trường nhiệt độ cao,chuyển mạch tần số cao, ít tổn hao. Trong báo cáo, tác giả thống kê và đưa ra cái nhìn tổng quan về côngnghệ bán dẫn thế hệ thứ ba; so sánh đặc trưng bán dẫn, phạm vi ứng dụng của chất bán dẫn GaN và SiC.Các ưu điểm nổi trội của chất bán dẫn SiC và GaN so với Si được thể hiện thông qua kết quả mô phỏngmạch với mô hình MOSFET của hãng Microsemi trên phần mềm Simplorer.Từ khóa: Chất bán dẫn; công suất cao; 3rd-Generation Semiconductors; GaN; SiC1. Đặt vấn đề Thế hệ vật liệu bán dẫn đầu tiên là Silicon (Si), độ rộng vùng cấm (band-gap) của Si là 1.17eV; thế hệvật liệu bán dẫn thứ hai là Gallium Arsenide (GaAs) là vật liệu của hầu hết các linh kiện bán dẫn trongcác thiết bị thông tin liên lạc hiện nay. Thế hệ vật liệu thứ ba và vật liệu bán dẫn có độ rộng vùng cấm từ 2.3eV trở lên. Điển hình của vật liệubán dẫn thế hệ thứ ba là SiC (Silicon Carbide) có độ rộng vùng cấm là 3.26eV và GaN (Gallium Nitride)có độ rộng vùng cấm 3.5eV. Đây là hai loại vật liệu mới dần được áp dụng phổ biến trong các bộ nguồn,các thiết bị điện tử công suất và thông tin vô tuyến. Hình 1. Vùng công suất và tần số hoạt động của các thiết bị điện, điện tử sử dụng linh kiện bán dẫn Si, SiC và GaN (theo sanken-ele.co.jp) GaN và SiC là các bán dẫn có độ rộng vùng cấm rộng hơn nhiều so với các vật liệu bán dẫn truyềnthống như Si hay Ga; ứng dụng chế tạo linh kiện bán dẫn có công suất lớn, chịu được nhiệt độ cao, chịu* Tác giả liên hệEmail: nguyentiensi@humg.edu.vn 1376được điện áp và mật độ dòng điện lớn, đặc tính tần số cao. Do đó, các linh kiện bán dẫn khi được chế tạocó mật độ tích hợp cao hơn, kích thước linh kiện giảm. Điều này rất có ý nghĩa trong công nghiệp chế tạothời kỳ cách mạng công nghiệp 4.0 với sự phát triển mạnh mẽ của thiết bị viễn thông 5G, điện khí hoá (xeđiện, các bộ sạc nhanh và siêu nhanh), radar và các thành phần chính của mạch điện tử khác (theoBusiness Next). SiC là tinh thể được cấu tạo bởi hai nguyên tố Si và C, cần nhiệt độ cao lên tới 2600 độ C để tạo thành,nhiệt độ này cao hơn 1000 độ so với đơn tinh thể Si. Hạt đơn tinh thể SiC yêu cầu tấm đế (wafer) chấtlượng cao, sử dụng hiệu ứng thăng hoa, hơi Si và C gắn vào tấm wafer dần tạo thành cột tinh thể SiC. SiCcứng hơn Si nên quá trình cắt và đánh bóng tấm wafer mất nhiều thời gian. GaN phức tạp hơn SiC. GaN không có chất nền riêng mà phải gắn với chất nền ngoại lai, thường dùnglà Sa-phia (Sapphire), SiC hoặc Si. Tinh thể GaN phát triển trên chất nền Sa-phia điển hình là đèn LEDmàu xanh hoặc trắng; GaN phát triển trên chất nền SiC điển hình là IC khuếch đại công suất cao tần dùngcho thiết bị thu phát sóng 5G; GaN phát triển trên chất nền Si tạo nên các IC công suất hoạt động ở tần sốthấp hơn. Tuy nhiên tinh thể GaN khó phát triển thành công trên chất nền Si do hệ số giãn nở nhiệt khácnhau lên tới 50%. Bảng 1. So sánh đặc trưng của bán dẫn Si/SiC/GaN Đặc trưng Si SiC GaN Độ rộng vùng cấm (eV) 1.1 3.3 3.4 Độ linh động điện tử (cm2/Vs) 1350 700 1500 Điện thế đánh thủng Ec (MV/cm) 0.3 3.0 3.3 Hệ số phẩm chất ( E ) 3 1 440 1130 e c So sánh tính chất giữa các vật liệu ở Bảng 1, hệ số phẩm chất (Figure of Merit) của SiC tốt hơn 440 lầnvà GaN tốt hơn 1130 lần so với hệ số phầm chất của Si, điều này dẫn tới kích thước của linh kiện có thểgiảm tới hằng trăm lần. Bán dẫn SiC và GaN có độ rộng vùng ...