इसके स्थिर रासायनिक गुणों के कारण, उच्च तापीय चालकता, थर्मल विस्तार के कम गुणांक, और उत्कृष्ट पहनने के प्रतिरोध, सिलिकॉन कार्बाइड (एसआईसी) के पास एक अपघर्षक के रूप में इसके पारंपरिक उपयोग से परे अनुप्रयोग हैं। उदाहरण के लिए, एसआईसी पाउडर को टरबाइन इम्पेलर्स या सिलेंडर लाइनर्स की आंतरिक सतहों पर विशेष प्रक्रियाओं के माध्यम से लागू किया जा सकता है ताकि पहनने के प्रतिरोध को बढ़ाया जा सके और सेवा जीवन को 1 से 2 बार बढ़ाया जा सके। एसआईसी से बने उच्च-ग्रेड दुर्दम्य सामग्री उत्कृष्ट थर्मल शॉक प्रतिरोध, कम मात्रा, हल्का वजन और उच्च यांत्रिक शक्ति का प्रदर्शन करती है, जिससे महत्वपूर्ण ऊर्जा-बचत लाभ होता है।
लो-ग्रेड सिलिकॉन कार्बाइड (लगभग 85% एसआईसी युक्त) स्टीलमेकिंग में एक उत्कृष्ट डीऑक्सीडाइज़र के रूप में कार्य करता है, स्मेल्टिंग प्रक्रिया को तेज करता है, रासायनिक संरचना नियंत्रण की सुविधा देता है, और समग्र स्टील की गुणवत्ता में सुधार करता है। इसके अलावा, एसआईसी का उपयोग सिलिकॉन कार्बाइड हीटिंग तत्वों (एसआईसी रॉड) के निर्माण में व्यापक रूप से किया जाता है।
सिलिकॉन कार्बाइड एक अत्यंत कठिन सामग्री है, जिसमें 9.5 की एक कठोरता है - केवल डायमंड (10) के लिए एक व्यक्ति। यह उत्कृष्ट थर्मल चालकता रखता है और ऊंचे तापमान पर बकाया ऑक्सीकरण प्रतिरोध के साथ एक अर्धचालक है।
सिलिकॉन कार्बाइड (एसआईसी) वर्तमान में विकास के तहत सबसे परिपक्व विस्तृत-बैंडगैप (डब्ल्यूबीजी) अर्धचालक सामग्री है। दुनिया भर के देशों ने एसआईसी अनुसंधान पर बहुत जोर दिया है और इसकी उन्नति को बढ़ावा देने के लिए पर्याप्त संसाधनों का निवेश किया है।
संयुक्त राज्य अमेरिका, यूरोप, जापान और अन्य लोगों ने SIC के लिए राष्ट्रीय स्तर के विकास रणनीतियों की स्थापना की है। वैश्विक इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग के प्रमुख खिलाड़ियों ने भी SIC सेमीकंडक्टर उपकरणों के विकास में भारी निवेश किया है।
पारंपरिक सिलिकॉन-आधारित उपकरणों की तुलना में, एसआईसी-आधारित घटक निम्नलिखित लाभ प्रदान करते हैं:
सिलिकॉन कार्बाइड डिवाइस समकक्ष सिलिकॉन उपकरणों की तुलना में 10 गुना अधिक वोल्टेज का सामना करते हैं। उदाहरण के लिए, SIC Schottky Diodes 2400 V. SIC- आधारित फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर (FETs) तक के ब्रेकडाउन वोल्टेज का समर्थन कर सकता है, जो कि राज्य के प्रतिरोध को बनाए रखते हुए दसियों किलोवोल्ट पर काम कर सकता है।
(विशिष्ट विवरण मूल पाठ में प्रदान नहीं किया गया है, लेकिन जरूरत पड़ने पर पूरक किया जा सकता है।)
पारंपरिक एसआई उपकरणों के साथ उनकी सैद्धांतिक प्रदर्शन सीमाओं के करीब पहुंचने के साथ, एसआईसी बिजली उपकरणों को उनके उच्च ब्रेकडाउन वोल्टेज, कम स्विचिंग लॉस और बेहतर दक्षता के कारण आदर्श उम्मीदवारों के रूप में देखा जाता है।
हालांकि, एसआईसी बिजली उपकरणों को व्यापक रूप से अपनाने से प्रदर्शन और लागत के बीच संतुलन पर निर्भर करता है, साथ ही उन्नत विनिर्माण प्रक्रियाओं की उच्च मांगों को पूरा करने की क्षमता भी।
वर्तमान में, कम-शक्ति वाले एसआईसी उपकरणों ने प्रयोगशाला अनुसंधान से वाणिज्यिक उत्पादन में संक्रमण किया है। हालांकि, एसआईसी वेफर्स अपेक्षाकृत महंगे रहते हैं और पारंपरिक अर्धचालक सामग्री की तुलना में उच्च दोष घनत्व से पीड़ित हैं।
SIC-MOSFET (सिलिकॉन कार्बाइड मेटल-ऑक्साइड-सेमिकंडक्टर फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर) वर्तमान में SIC सामग्री प्रणाली के भीतर सबसे गहन रूप से शोध किया गया पावर इलेक्ट्रॉनिक डिवाइस है। क्री (यूएसए) और रोहम (जापान) जैसी प्रमुख कंपनियों द्वारा उल्लेखनीय सफलताएं बनाई गई हैं।
एक विशिष्ट SIC-MOSFET संरचना में, N+ स्रोत क्षेत्र और P-Well दोनों का गठन आयन आरोपण का उपयोग करके किया जाता है, इसके बाद डोपेंट को सक्रिय करने के लिए उच्च तापमान (~ 1700 ° C) पर annealing होता है। SIC-MOSFET निर्माण में महत्वपूर्ण प्रक्रियाओं में से एक गेट ऑक्साइड परत का गठन है। यह देखते हुए कि सिलिकॉन कार्बाइड में एसआई और सी परमाणु दोनों होते हैं, गेट डाइलेक्ट्रिक्स की वृद्धि के लिए विशेष ऑक्साइड विकास तकनीकों की आवश्यकता होती है।
खाई संरचना बनाम प्लानर संरचना
ट्रेंच-प्रकार SIC-MOSFET आर्किटेक्चर पारंपरिक प्लानर डिजाइनों पर SIC सामग्री के प्रदर्शन लाभों को अधिकतम करता है। यह संरचना उच्च वर्तमान घनत्व, कम-प्रतिरोध और बेहतर विद्युत क्षेत्र वितरण के लिए अनुमति देती है।
परंपरागत सिलिकॉन IGBTS आमतौर पर 20 kHz से नीचे काम करता है। आंतरिक सामग्री सीमाओं के कारण, उच्च-वोल्टेज और उच्च-आवृत्ति संचालन को सिलिकॉन-आधारित उपकरणों के साथ प्राप्त करना मुश्किल है।
इसके विपरीत, SIC-Mosfets वोल्टेज अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए अच्छी तरह से अनुकूल हैं-600 V से 10 kV से अधिक तक- और एकध्रुवीय उपकरणों के रूप में उत्कृष्ट स्विचिंग विशेषताओं को प्रदर्शित करते हैं।
सिलिकॉन IGBTS के साथ तुलना में, Sic-mosfets की पेशकश:
उदाहरण के लिए, एक 20 kHz sic-mosfet मॉड्यूल एक 3 kHz सिलिकॉन IGBT मॉड्यूल के आधे बिजली के नुकसान को प्रदर्शित कर सकता है। 50 ए एसआईसी मॉड्यूल प्रभावी रूप से एक 150 ए एसआई मॉड्यूल को बदल सकता है, दक्षता और उच्च-आवृत्ति प्रदर्शन लाभों को उजागर करता है।
इसके अलावा, SIC-Mosfets में बॉडी डायोड में अल्ट्रा-फास्ट रिवर्स रिकवरी विशेषताओं की विशेषता है:
उदाहरण के लिए, एक ही रेटेड करंट और वोल्टेज (जैसे, 900 वी) पर, एक एसआईसी-मोसफेट के बॉडी डायोड का क्यूआरआर एक सिलिकॉन-आधारित एमओएसएफईटी का केवल 5% है। यह विशेष रूप से ब्रिज-प्रकार के सर्किट के लिए फायदेमंद है (जैसे कि एलएलसी गुंजयमान कन्वर्टर्स जो कि प्रतिध्वनि से ऊपर संचालित होते हैं), जैसा कि:
SIC-MOSFET मॉड्यूल मध्यम से उच्च-शक्ति ऊर्जा प्रणालियों में पर्याप्त लाभ प्रदर्शित करता है, जिसमें शामिल हैं:
उनके उच्च-वोल्टेज, उच्च-आवृत्ति, और उच्च दक्षता विशेषताओं के लिए धन्यवाद, एसआईसी उपकरण ईवी पावरट्रेन डिजाइन में सफलताओं को सक्षम कर रहे हैं, जहां पारंपरिक सिलिकॉन डिवाइस प्रदर्शन की अड़चनों तक पहुंच गए हैं।
प्रमुख उदाहरणों में शामिल हैं:
अनुमानों के अनुसार, SIC-MOSFET मॉड्यूल को 2018 और 2020 के बीच वैश्विक स्तर पर इलेक्ट्रिक वाहनों में व्यापक रूप से गोद लेने की उम्मीद थी, एक प्रवृत्ति जो प्रौद्योगिकी परिपक्वता और लागत में गिरावट के रूप में बढ़ती रहती है।
सिलिकॉन कार्बाइड शोट्की डायोड एक जंक्शन बैरियर शोट्की (जेबीएस) संरचना को अपनाते हैं, जो प्रभावी रूप से रिवर्स लीकेज करंट को कम करता है और उच्च-वोल्टेज ब्लॉकिंग क्षमता में सुधार करता है। यह संरचना कम फॉरवर्ड वोल्टेज ड्रॉप और उच्च स्विचिंग गति के फायदों को जोड़ती है।
एकध्रुवीय उपकरणों के रूप में, Sic Schottky डायोड पारंपरिक सिलिकॉन फास्ट रिकवरी डायोड (SI FRDs) की तुलना में बेहतर रिवर्स रिकवरी विशेषताओं की पेशकश करते हैं। जब आगे की चालन से रिवर्स ब्लॉकिंग पर स्विच किया जाता है, तो एसआईसी डायोड प्रदर्शन:
Sic Schottky डायोड का व्यापक रूप से मध्यम से उच्च-शक्ति अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है, जैसे:
PFC सर्किट में SIC SBDs के साथ पारंपरिक SI FRDS को प्रतिस्थापित करने से दक्षता बनाए रखते हुए 300kHz से अधिक आवृत्तियों पर संचालन की अनुमति मिलती है। इसके विपरीत, SI FRDS 100kHz से आगे एक महत्वपूर्ण दक्षता ड्रॉप का अनुभव करता है। उच्च आवृत्ति ऑपरेशन भी निष्क्रिय घटकों के आकार को कम करता है जैसे इंडक्टर्स, समग्र पीसीबी वॉल्यूम को 30%से अधिक कम करता है।
सिलिकॉन कार्बाइड को व्यापक रूप से एक सफलता विस्तृत बैंडगैप सेमीकंडक्टर सामग्री और अर्धचालक की तीसरी पीढ़ी के प्रमुख प्रतिनिधि के रूप में मान्यता प्राप्त है। इसके उत्कृष्ट भौतिक और विद्युत गुणों के लिए इसकी प्रशंसा की जाती है:
SIC डिवाइस सिलिकॉन समकक्षों की तुलना में नाटकीय रूप से बेहतर प्रदर्शन प्रदान करते हैं:
हाल की प्रगति ने एसआईसी-आधारित आईजीबीटी और अन्य बिजली उपकरणों का उत्पादन करना संभव बना दिया है, जिसमें बहुत कम प्रतिरोध और गर्मी उत्पादन होता है। ये गुण अगली पीढ़ी के पावर इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए SIC को एक आदर्श सामग्री बनाते हैं।
उदाहरण के लिए, Schottky डायोड की वोल्टेज रेटिंग 250V से बढ़कर 1000V से अधिक हो गई है, जबकि चिप क्षेत्र में कमी आई है। हालांकि, वर्तमान रेटिंग अभी भी केवल कुछ दसियों एम्पीयर हैं। ऑपरेटिंग तापमान में 180 डिग्री सेल्सियस में सुधार हुआ है, जो अभी भी 600 डिग्री सेल्सियस के सैद्धांतिक अधिकतम से दूर है। फॉरवर्ड वोल्टेज ड्रॉप भी आदर्श से कम है - सिलिकॉन डिवाइसों के लिए अनुचित - कुछ एसआईसी डायोड के साथ आगे वोल्टेज ड्रॉप को 2 वी के रूप में उच्च प्रदर्शन करते हैं।
Sic उपकरण लगभग हैं5 से 6 गुना अधिक महंगाबराबर सिलिकॉन-आधारित उपकरणों की तुलना में।
विभिन्न रिपोर्टों के आधार पर, प्रमुख चुनौतियां डिवाइस सिद्धांत या संरचनात्मक डिजाइन में नहीं हैं, जिन्हें आमतौर पर हल किया जा सकता है, लेकिन निर्माण प्रक्रिया में। यहाँ कुछ प्रमुख मुद्दे हैं:
एक प्रमुख दोष माइक्रोप्रिप है, जो नग्न आंखों को भी दिखाई देता है। जब तक इन दोषों को क्रिस्टल विकास में पूरी तरह से समाप्त नहीं किया जाता है, तब तक उच्च-शक्ति वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए एसआईसी का उपयोग करना मुश्किल है। जबकि उच्च गुणवत्ता वाले वेफर्स ने माइक्रोप्रिप घनत्व को 15 सेमी से कम तक कम कर दिया है, औद्योगिक अनुप्रयोग 0.5 सेमी से नीचे माइक्रोप्रिप घनत्व के साथ 100 मिमी से अधिक व्यास में वफ़र्स की मांग करते हैं।
SIC HomeOpitaxy आमतौर पर 1500 ° C से ऊपर के तापमान पर रासायनिक वाष्प जमाव (CVD) के माध्यम से किया जाता है। उच्च बनाने की क्रिया के मुद्दों के कारण, तापमान 1800 डिग्री सेल्सियस से अधिक नहीं हो सकता है, जिसके परिणामस्वरूप कम वृद्धि दर होती है। जबकि तरल-चरण एपिटैक्सी कम तापमान और उच्च विकास दर के लिए अनुमति देता है, उपज कम रहती है।
पारंपरिक प्रसार डोपिंग अपने उच्च प्रसार तापमान के कारण SIC के लिए उपयुक्त नहीं है, जो Sio₂ परत की मास्किंग क्षमता और SIC की स्थिरता से समझौता करता है। आयन आरोपण की आवश्यकता है, विशेष रूप से एल्यूमीनियम का उपयोग करके पी-प्रकार डोपिंग के लिए।
हालांकि, एल्यूमीनियम आयन महत्वपूर्ण जाली क्षति और खराब सक्रियण का कारण बनते हैं, उच्च तापमान के बाद उच्च तापमान पर आरोपण की आवश्यकता होती है। यह सतह अपघटन, सी परमाणु उच्च बनाने की क्रिया और अन्य मुद्दों को जन्म दे सकता है। डोपेंट चयन का अनुकूलन, तापमान, और प्रक्रिया मापदंडों को प्राप्त करना अभी भी जारी है।
10⁻⁵ of · cm of के नीचे संपर्क प्रतिरोधकता के साथ OHMIC संपर्क बनाना महत्वपूर्ण है। जबकि नी और अल आमतौर पर उपयोग किए जाते हैं, वे 100 डिग्री सेल्सियस से ऊपर खराब थर्मल स्थिरता से पीड़ित होते हैं। अल/नी/डब्ल्यू/एयू जैसे समग्र इलेक्ट्रोड 100 घंटे के लिए 600 डिग्री सेल्सियस तक थर्मल स्थिरता में सुधार कर सकते हैं, लेकिन संपर्क प्रतिरोधकता अधिक रहती है (~ 10⁻ ω ω · cm²), जिससे विश्वसनीय ओमिक संपर्क प्राप्त करना मुश्किल हो जाता है।
यद्यपि SIC चिप्स 600 ° C पर काम कर सकते हैं, सहायक सामग्री जैसे कि इलेक्ट्रोड, मिलाप, पैकेज और इन्सुलेशन अक्सर इस तरह के उच्च तापमान का सामना नहीं कर सकते हैं, समग्र प्रणाली के प्रदर्शन को सीमित करते हैं।
नोट: ये केवल चयनित उदाहरण हैं। कई अन्य फैब्रिकेशन चुनौतियां - जैसे कि ट्रेंच नक़्क़ाशी, किनारे समाप्ति, और SIC MOSFETS में गेट ऑक्साइड इंटरफ़ेस की विश्वसनीयता - अभी भी आदर्श समाधानों की कमी है। उद्योग को अभी तक इनमें से कई मुद्दों पर आम सहमति तक पहुंचना है, जो कि एसआईसी बिजली उपकरणों के तेजी से विकास में बाधा है।
SIC उपकरणों के लाभों को 1960 के दशक की शुरुआत में मान्यता दी गई थी। हालांकि, कई तकनीकी चुनौतियों के कारण व्यापक रूप से गोद लेने में देरी हुई है, विशेष रूप से विनिर्माण में। आज भी, SIC का प्राथमिक औद्योगिक अनुप्रयोग एक अपघर्षक (Carborundum) के रूप में बना हुआ है।
एसआईसी नियंत्रणीय दबाव के तहत पिघल नहीं जाता है, लेकिन लगभग 2500 डिग्री सेल्सियस पर सबमेट करता है, जिसका अर्थ है कि थोक क्रिस्टल की वृद्धि वाष्प चरण से शुरू होनी चाहिए, सिलिकॉन विकास की तुलना में बहुत अधिक जटिल प्रक्रिया (एसआई ~ 1400 डिग्री सेल्सियस पर पिघलता है)। व्यावसायिक सफलता के लिए सबसे बड़ी बाधाओं में से एक पावर सेमीकंडक्टर उपकरणों के लिए उपयुक्त एसआईसी सब्सट्रेट की कमी है।
सिलिकॉन के लिए, सिंगल-क्रिस्टल सब्सट्रेट (वेफर्स) आसानी से उपलब्ध हैं और बड़े पैमाने पर उत्पादन की नींव हैं। यद्यपि 1970 के दशक के उत्तरार्ध में बड़े-क्षेत्र एसआईसी सब्सट्रेट (संशोधित लेली विधि) को विकसित करने के लिए एक विधि विकसित की गई थी, लेकिन ये सब्सट्रेट माइक्रोप्रिप दोषों से पीड़ित थे।
एक उच्च-वोल्टेज पीएन जंक्शन में प्रवेश करने वाला एक एकल माइक्रोप्रिप अपनी अवरुद्ध क्षमता को नष्ट कर सकता है। पिछले तीन वर्षों में, माइक्रोप्रिप घनत्व दसियों हजारों प्रति मिमी से गिर गया है, प्रति मिमी। प्रति मिमी। नतीजतन, डिवाइस का आकार केवल कुछ mm, तक सीमित हो गया है, जिसमें केवल कुछ एम्पीयर की अधिकतम रेटेड धाराएं हैं।
सब्सट्रेट गुणवत्ता में और सुधार SIC पावर डिवाइस व्यावसायिक रूप से व्यवहार्य बनने से पहले आवश्यक हैं।
हाल की प्रगति से पता चलता है कि ऑप्टोइलेक्ट्रोनिक उपकरणों के लिए एसआईसी स्वीकार्य गुणवत्ता तक पहुंच गई है, उत्पादन की उपज और विश्वसनीयता के साथ अब भौतिक दोषों से बाधा नहीं है। MOSFETS और SCHOTTKY डायोड जैसे उच्च-आवृत्ति एकध्रुवीय उपकरणों के लिए, माइक्रोपीप घनत्व ज्यादातर नियंत्रण में है, हालांकि यह अभी भी उपज को थोड़ा प्रभावित करता है।
उच्च-वोल्टेज, उच्च-शक्ति वाले उपकरणों के लिए, एसआईसी सामग्री को अभी भी दोष घनत्व को कम करने के लिए एक और दो साल के विकास की आवश्यकता है। वर्तमान चुनौतियों के बावजूद, इसमें कोई संदेह नहीं है कि एसआईसी 21 वीं सदी के लिए सबसे होनहार अर्धचालक सामग्री में से एक है।
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इसके स्थिर रासायनिक गुणों के कारण, उच्च तापीय चालकता, थर्मल विस्तार के कम गुणांक, और उत्कृष्ट पहनने के प्रतिरोध, सिलिकॉन कार्बाइड (एसआईसी) के पास एक अपघर्षक के रूप में इसके पारंपरिक उपयोग से परे अनुप्रयोग हैं। उदाहरण के लिए, एसआईसी पाउडर को टरबाइन इम्पेलर्स या सिलेंडर लाइनर्स की आंतरिक सतहों पर विशेष प्रक्रियाओं के माध्यम से लागू किया जा सकता है ताकि पहनने के प्रतिरोध को बढ़ाया जा सके और सेवा जीवन को 1 से 2 बार बढ़ाया जा सके। एसआईसी से बने उच्च-ग्रेड दुर्दम्य सामग्री उत्कृष्ट थर्मल शॉक प्रतिरोध, कम मात्रा, हल्का वजन और उच्च यांत्रिक शक्ति का प्रदर्शन करती है, जिससे महत्वपूर्ण ऊर्जा-बचत लाभ होता है।
लो-ग्रेड सिलिकॉन कार्बाइड (लगभग 85% एसआईसी युक्त) स्टीलमेकिंग में एक उत्कृष्ट डीऑक्सीडाइज़र के रूप में कार्य करता है, स्मेल्टिंग प्रक्रिया को तेज करता है, रासायनिक संरचना नियंत्रण की सुविधा देता है, और समग्र स्टील की गुणवत्ता में सुधार करता है। इसके अलावा, एसआईसी का उपयोग सिलिकॉन कार्बाइड हीटिंग तत्वों (एसआईसी रॉड) के निर्माण में व्यापक रूप से किया जाता है।
सिलिकॉन कार्बाइड एक अत्यंत कठिन सामग्री है, जिसमें 9.5 की एक कठोरता है - केवल डायमंड (10) के लिए एक व्यक्ति। यह उत्कृष्ट थर्मल चालकता रखता है और ऊंचे तापमान पर बकाया ऑक्सीकरण प्रतिरोध के साथ एक अर्धचालक है।
सिलिकॉन कार्बाइड (एसआईसी) वर्तमान में विकास के तहत सबसे परिपक्व विस्तृत-बैंडगैप (डब्ल्यूबीजी) अर्धचालक सामग्री है। दुनिया भर के देशों ने एसआईसी अनुसंधान पर बहुत जोर दिया है और इसकी उन्नति को बढ़ावा देने के लिए पर्याप्त संसाधनों का निवेश किया है।
संयुक्त राज्य अमेरिका, यूरोप, जापान और अन्य लोगों ने SIC के लिए राष्ट्रीय स्तर के विकास रणनीतियों की स्थापना की है। वैश्विक इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग के प्रमुख खिलाड़ियों ने भी SIC सेमीकंडक्टर उपकरणों के विकास में भारी निवेश किया है।
पारंपरिक सिलिकॉन-आधारित उपकरणों की तुलना में, एसआईसी-आधारित घटक निम्नलिखित लाभ प्रदान करते हैं:
सिलिकॉन कार्बाइड डिवाइस समकक्ष सिलिकॉन उपकरणों की तुलना में 10 गुना अधिक वोल्टेज का सामना करते हैं। उदाहरण के लिए, SIC Schottky Diodes 2400 V. SIC- आधारित फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर (FETs) तक के ब्रेकडाउन वोल्टेज का समर्थन कर सकता है, जो कि राज्य के प्रतिरोध को बनाए रखते हुए दसियों किलोवोल्ट पर काम कर सकता है।
(विशिष्ट विवरण मूल पाठ में प्रदान नहीं किया गया है, लेकिन जरूरत पड़ने पर पूरक किया जा सकता है।)
पारंपरिक एसआई उपकरणों के साथ उनकी सैद्धांतिक प्रदर्शन सीमाओं के करीब पहुंचने के साथ, एसआईसी बिजली उपकरणों को उनके उच्च ब्रेकडाउन वोल्टेज, कम स्विचिंग लॉस और बेहतर दक्षता के कारण आदर्श उम्मीदवारों के रूप में देखा जाता है।
हालांकि, एसआईसी बिजली उपकरणों को व्यापक रूप से अपनाने से प्रदर्शन और लागत के बीच संतुलन पर निर्भर करता है, साथ ही उन्नत विनिर्माण प्रक्रियाओं की उच्च मांगों को पूरा करने की क्षमता भी।
वर्तमान में, कम-शक्ति वाले एसआईसी उपकरणों ने प्रयोगशाला अनुसंधान से वाणिज्यिक उत्पादन में संक्रमण किया है। हालांकि, एसआईसी वेफर्स अपेक्षाकृत महंगे रहते हैं और पारंपरिक अर्धचालक सामग्री की तुलना में उच्च दोष घनत्व से पीड़ित हैं।
SIC-MOSFET (सिलिकॉन कार्बाइड मेटल-ऑक्साइड-सेमिकंडक्टर फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर) वर्तमान में SIC सामग्री प्रणाली के भीतर सबसे गहन रूप से शोध किया गया पावर इलेक्ट्रॉनिक डिवाइस है। क्री (यूएसए) और रोहम (जापान) जैसी प्रमुख कंपनियों द्वारा उल्लेखनीय सफलताएं बनाई गई हैं।
एक विशिष्ट SIC-MOSFET संरचना में, N+ स्रोत क्षेत्र और P-Well दोनों का गठन आयन आरोपण का उपयोग करके किया जाता है, इसके बाद डोपेंट को सक्रिय करने के लिए उच्च तापमान (~ 1700 ° C) पर annealing होता है। SIC-MOSFET निर्माण में महत्वपूर्ण प्रक्रियाओं में से एक गेट ऑक्साइड परत का गठन है। यह देखते हुए कि सिलिकॉन कार्बाइड में एसआई और सी परमाणु दोनों होते हैं, गेट डाइलेक्ट्रिक्स की वृद्धि के लिए विशेष ऑक्साइड विकास तकनीकों की आवश्यकता होती है।
खाई संरचना बनाम प्लानर संरचना
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परंपरागत सिलिकॉन IGBTS आमतौर पर 20 kHz से नीचे काम करता है। आंतरिक सामग्री सीमाओं के कारण, उच्च-वोल्टेज और उच्च-आवृत्ति संचालन को सिलिकॉन-आधारित उपकरणों के साथ प्राप्त करना मुश्किल है।
इसके विपरीत, SIC-Mosfets वोल्टेज अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए अच्छी तरह से अनुकूल हैं-600 V से 10 kV से अधिक तक- और एकध्रुवीय उपकरणों के रूप में उत्कृष्ट स्विचिंग विशेषताओं को प्रदर्शित करते हैं।
सिलिकॉन IGBTS के साथ तुलना में, Sic-mosfets की पेशकश:
उदाहरण के लिए, एक 20 kHz sic-mosfet मॉड्यूल एक 3 kHz सिलिकॉन IGBT मॉड्यूल के आधे बिजली के नुकसान को प्रदर्शित कर सकता है। 50 ए एसआईसी मॉड्यूल प्रभावी रूप से एक 150 ए एसआई मॉड्यूल को बदल सकता है, दक्षता और उच्च-आवृत्ति प्रदर्शन लाभों को उजागर करता है।
इसके अलावा, SIC-Mosfets में बॉडी डायोड में अल्ट्रा-फास्ट रिवर्स रिकवरी विशेषताओं की विशेषता है:
उदाहरण के लिए, एक ही रेटेड करंट और वोल्टेज (जैसे, 900 वी) पर, एक एसआईसी-मोसफेट के बॉडी डायोड का क्यूआरआर एक सिलिकॉन-आधारित एमओएसएफईटी का केवल 5% है। यह विशेष रूप से ब्रिज-प्रकार के सर्किट के लिए फायदेमंद है (जैसे कि एलएलसी गुंजयमान कन्वर्टर्स जो कि प्रतिध्वनि से ऊपर संचालित होते हैं), जैसा कि:
SIC-MOSFET मॉड्यूल मध्यम से उच्च-शक्ति ऊर्जा प्रणालियों में पर्याप्त लाभ प्रदर्शित करता है, जिसमें शामिल हैं:
उनके उच्च-वोल्टेज, उच्च-आवृत्ति, और उच्च दक्षता विशेषताओं के लिए धन्यवाद, एसआईसी उपकरण ईवी पावरट्रेन डिजाइन में सफलताओं को सक्षम कर रहे हैं, जहां पारंपरिक सिलिकॉन डिवाइस प्रदर्शन की अड़चनों तक पहुंच गए हैं।
प्रमुख उदाहरणों में शामिल हैं:
अनुमानों के अनुसार, SIC-MOSFET मॉड्यूल को 2018 और 2020 के बीच वैश्विक स्तर पर इलेक्ट्रिक वाहनों में व्यापक रूप से गोद लेने की उम्मीद थी, एक प्रवृत्ति जो प्रौद्योगिकी परिपक्वता और लागत में गिरावट के रूप में बढ़ती रहती है।
सिलिकॉन कार्बाइड शोट्की डायोड एक जंक्शन बैरियर शोट्की (जेबीएस) संरचना को अपनाते हैं, जो प्रभावी रूप से रिवर्स लीकेज करंट को कम करता है और उच्च-वोल्टेज ब्लॉकिंग क्षमता में सुधार करता है। यह संरचना कम फॉरवर्ड वोल्टेज ड्रॉप और उच्च स्विचिंग गति के फायदों को जोड़ती है।
एकध्रुवीय उपकरणों के रूप में, Sic Schottky डायोड पारंपरिक सिलिकॉन फास्ट रिकवरी डायोड (SI FRDs) की तुलना में बेहतर रिवर्स रिकवरी विशेषताओं की पेशकश करते हैं। जब आगे की चालन से रिवर्स ब्लॉकिंग पर स्विच किया जाता है, तो एसआईसी डायोड प्रदर्शन:
Sic Schottky डायोड का व्यापक रूप से मध्यम से उच्च-शक्ति अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है, जैसे:
PFC सर्किट में SIC SBDs के साथ पारंपरिक SI FRDS को प्रतिस्थापित करने से दक्षता बनाए रखते हुए 300kHz से अधिक आवृत्तियों पर संचालन की अनुमति मिलती है। इसके विपरीत, SI FRDS 100kHz से आगे एक महत्वपूर्ण दक्षता ड्रॉप का अनुभव करता है। उच्च आवृत्ति ऑपरेशन भी निष्क्रिय घटकों के आकार को कम करता है जैसे इंडक्टर्स, समग्र पीसीबी वॉल्यूम को 30%से अधिक कम करता है।
सिलिकॉन कार्बाइड को व्यापक रूप से एक सफलता विस्तृत बैंडगैप सेमीकंडक्टर सामग्री और अर्धचालक की तीसरी पीढ़ी के प्रमुख प्रतिनिधि के रूप में मान्यता प्राप्त है। इसके उत्कृष्ट भौतिक और विद्युत गुणों के लिए इसकी प्रशंसा की जाती है:
SIC डिवाइस सिलिकॉन समकक्षों की तुलना में नाटकीय रूप से बेहतर प्रदर्शन प्रदान करते हैं:
हाल की प्रगति ने एसआईसी-आधारित आईजीबीटी और अन्य बिजली उपकरणों का उत्पादन करना संभव बना दिया है, जिसमें बहुत कम प्रतिरोध और गर्मी उत्पादन होता है। ये गुण अगली पीढ़ी के पावर इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए SIC को एक आदर्श सामग्री बनाते हैं।
उदाहरण के लिए, Schottky डायोड की वोल्टेज रेटिंग 250V से बढ़कर 1000V से अधिक हो गई है, जबकि चिप क्षेत्र में कमी आई है। हालांकि, वर्तमान रेटिंग अभी भी केवल कुछ दसियों एम्पीयर हैं। ऑपरेटिंग तापमान में 180 डिग्री सेल्सियस में सुधार हुआ है, जो अभी भी 600 डिग्री सेल्सियस के सैद्धांतिक अधिकतम से दूर है। फॉरवर्ड वोल्टेज ड्रॉप भी आदर्श से कम है - सिलिकॉन डिवाइसों के लिए अनुचित - कुछ एसआईसी डायोड के साथ आगे वोल्टेज ड्रॉप को 2 वी के रूप में उच्च प्रदर्शन करते हैं।
Sic उपकरण लगभग हैं5 से 6 गुना अधिक महंगाबराबर सिलिकॉन-आधारित उपकरणों की तुलना में।
विभिन्न रिपोर्टों के आधार पर, प्रमुख चुनौतियां डिवाइस सिद्धांत या संरचनात्मक डिजाइन में नहीं हैं, जिन्हें आमतौर पर हल किया जा सकता है, लेकिन निर्माण प्रक्रिया में। यहाँ कुछ प्रमुख मुद्दे हैं:
एक प्रमुख दोष माइक्रोप्रिप है, जो नग्न आंखों को भी दिखाई देता है। जब तक इन दोषों को क्रिस्टल विकास में पूरी तरह से समाप्त नहीं किया जाता है, तब तक उच्च-शक्ति वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए एसआईसी का उपयोग करना मुश्किल है। जबकि उच्च गुणवत्ता वाले वेफर्स ने माइक्रोप्रिप घनत्व को 15 सेमी से कम तक कम कर दिया है, औद्योगिक अनुप्रयोग 0.5 सेमी से नीचे माइक्रोप्रिप घनत्व के साथ 100 मिमी से अधिक व्यास में वफ़र्स की मांग करते हैं।
SIC HomeOpitaxy आमतौर पर 1500 ° C से ऊपर के तापमान पर रासायनिक वाष्प जमाव (CVD) के माध्यम से किया जाता है। उच्च बनाने की क्रिया के मुद्दों के कारण, तापमान 1800 डिग्री सेल्सियस से अधिक नहीं हो सकता है, जिसके परिणामस्वरूप कम वृद्धि दर होती है। जबकि तरल-चरण एपिटैक्सी कम तापमान और उच्च विकास दर के लिए अनुमति देता है, उपज कम रहती है।
पारंपरिक प्रसार डोपिंग अपने उच्च प्रसार तापमान के कारण SIC के लिए उपयुक्त नहीं है, जो Sio₂ परत की मास्किंग क्षमता और SIC की स्थिरता से समझौता करता है। आयन आरोपण की आवश्यकता है, विशेष रूप से एल्यूमीनियम का उपयोग करके पी-प्रकार डोपिंग के लिए।
हालांकि, एल्यूमीनियम आयन महत्वपूर्ण जाली क्षति और खराब सक्रियण का कारण बनते हैं, उच्च तापमान के बाद उच्च तापमान पर आरोपण की आवश्यकता होती है। यह सतह अपघटन, सी परमाणु उच्च बनाने की क्रिया और अन्य मुद्दों को जन्म दे सकता है। डोपेंट चयन का अनुकूलन, तापमान, और प्रक्रिया मापदंडों को प्राप्त करना अभी भी जारी है।
10⁻⁵ of · cm of के नीचे संपर्क प्रतिरोधकता के साथ OHMIC संपर्क बनाना महत्वपूर्ण है। जबकि नी और अल आमतौर पर उपयोग किए जाते हैं, वे 100 डिग्री सेल्सियस से ऊपर खराब थर्मल स्थिरता से पीड़ित होते हैं। अल/नी/डब्ल्यू/एयू जैसे समग्र इलेक्ट्रोड 100 घंटे के लिए 600 डिग्री सेल्सियस तक थर्मल स्थिरता में सुधार कर सकते हैं, लेकिन संपर्क प्रतिरोधकता अधिक रहती है (~ 10⁻ ω ω · cm²), जिससे विश्वसनीय ओमिक संपर्क प्राप्त करना मुश्किल हो जाता है।
यद्यपि SIC चिप्स 600 ° C पर काम कर सकते हैं, सहायक सामग्री जैसे कि इलेक्ट्रोड, मिलाप, पैकेज और इन्सुलेशन अक्सर इस तरह के उच्च तापमान का सामना नहीं कर सकते हैं, समग्र प्रणाली के प्रदर्शन को सीमित करते हैं।
नोट: ये केवल चयनित उदाहरण हैं। कई अन्य फैब्रिकेशन चुनौतियां - जैसे कि ट्रेंच नक़्क़ाशी, किनारे समाप्ति, और SIC MOSFETS में गेट ऑक्साइड इंटरफ़ेस की विश्वसनीयता - अभी भी आदर्श समाधानों की कमी है। उद्योग को अभी तक इनमें से कई मुद्दों पर आम सहमति तक पहुंचना है, जो कि एसआईसी बिजली उपकरणों के तेजी से विकास में बाधा है।
SIC उपकरणों के लाभों को 1960 के दशक की शुरुआत में मान्यता दी गई थी। हालांकि, कई तकनीकी चुनौतियों के कारण व्यापक रूप से गोद लेने में देरी हुई है, विशेष रूप से विनिर्माण में। आज भी, SIC का प्राथमिक औद्योगिक अनुप्रयोग एक अपघर्षक (Carborundum) के रूप में बना हुआ है।
एसआईसी नियंत्रणीय दबाव के तहत पिघल नहीं जाता है, लेकिन लगभग 2500 डिग्री सेल्सियस पर सबमेट करता है, जिसका अर्थ है कि थोक क्रिस्टल की वृद्धि वाष्प चरण से शुरू होनी चाहिए, सिलिकॉन विकास की तुलना में बहुत अधिक जटिल प्रक्रिया (एसआई ~ 1400 डिग्री सेल्सियस पर पिघलता है)। व्यावसायिक सफलता के लिए सबसे बड़ी बाधाओं में से एक पावर सेमीकंडक्टर उपकरणों के लिए उपयुक्त एसआईसी सब्सट्रेट की कमी है।
सिलिकॉन के लिए, सिंगल-क्रिस्टल सब्सट्रेट (वेफर्स) आसानी से उपलब्ध हैं और बड़े पैमाने पर उत्पादन की नींव हैं। यद्यपि 1970 के दशक के उत्तरार्ध में बड़े-क्षेत्र एसआईसी सब्सट्रेट (संशोधित लेली विधि) को विकसित करने के लिए एक विधि विकसित की गई थी, लेकिन ये सब्सट्रेट माइक्रोप्रिप दोषों से पीड़ित थे।
एक उच्च-वोल्टेज पीएन जंक्शन में प्रवेश करने वाला एक एकल माइक्रोप्रिप अपनी अवरुद्ध क्षमता को नष्ट कर सकता है। पिछले तीन वर्षों में, माइक्रोप्रिप घनत्व दसियों हजारों प्रति मिमी से गिर गया है, प्रति मिमी। प्रति मिमी। नतीजतन, डिवाइस का आकार केवल कुछ mm, तक सीमित हो गया है, जिसमें केवल कुछ एम्पीयर की अधिकतम रेटेड धाराएं हैं।
सब्सट्रेट गुणवत्ता में और सुधार SIC पावर डिवाइस व्यावसायिक रूप से व्यवहार्य बनने से पहले आवश्यक हैं।
हाल की प्रगति से पता चलता है कि ऑप्टोइलेक्ट्रोनिक उपकरणों के लिए एसआईसी स्वीकार्य गुणवत्ता तक पहुंच गई है, उत्पादन की उपज और विश्वसनीयता के साथ अब भौतिक दोषों से बाधा नहीं है। MOSFETS और SCHOTTKY डायोड जैसे उच्च-आवृत्ति एकध्रुवीय उपकरणों के लिए, माइक्रोपीप घनत्व ज्यादातर नियंत्रण में है, हालांकि यह अभी भी उपज को थोड़ा प्रभावित करता है।
उच्च-वोल्टेज, उच्च-शक्ति वाले उपकरणों के लिए, एसआईसी सामग्री को अभी भी दोष घनत्व को कम करने के लिए एक और दो साल के विकास की आवश्यकता है। वर्तमान चुनौतियों के बावजूद, इसमें कोई संदेह नहीं है कि एसआईसी 21 वीं सदी के लिए सबसे होनहार अर्धचालक सामग्री में से एक है।
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