碳化硅(SiC)是化合物半導(dǎo)體材料之一，具有獨(dú)特的材料性能。例如，它具有高電擊穿強(qiáng)度(硅的十倍)和導(dǎo)熱性(硅的三倍)。這些特性吸引了研究人員和工程師的更多關(guān)注。SiC最有前途的應(yīng)用之一是用于電子產(chǎn)品的功率器件。雖然硅基功率器件目前主導(dǎo)著市場(chǎng)，但這些器件的擊穿電壓有限。另一方面，由于SiC的電擊穿強(qiáng)度，SiC功率器件允許高效功率轉(zhuǎn)換而不會(huì)擊穿。SiC功率器件在汽車(chē)、火車(chē)和航空航天等需要在高壓和高溫下工作的市場(chǎng)中的潛在增長(zhǎng)預(yù)計(jì)將是巨大的。

碳化硅(SiC)是一種由硅和碳組成的半導(dǎo)體材料，用于制造用于高壓應(yīng)用的功率器件，例如電動(dòng)汽車(chē)(EV)、電源、電機(jī)控制電路和逆變器。與傳統(tǒng)的硅基功率器件(如IGBT和MOSFET)相比，SiC具有多種優(yōu)勢(shì)，后者憑借其成本效益和制造工藝的簡(jiǎn)單性長(zhǎng)期主導(dǎo)市場(chǎng)。

在電力電子應(yīng)用中，固態(tài)器件需要在高開(kāi)關(guān)頻率下工作，同時(shí)提供低導(dǎo)通電阻、低開(kāi)關(guān)損耗和出色的熱管理。在電子領(lǐng)域，設(shè)計(jì)人員面臨著一些嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，目的是最大限度地提高效率、減小尺寸、提高設(shè)備的可靠性和耐用性以及降低成本。與傳統(tǒng)的硅基技術(shù)相比，使用寬帶隙(WBG)材料(如SiC)可實(shí)現(xiàn)更高的開(kāi)關(guān)速度和更高的擊穿電壓，從而實(shí)現(xiàn)更小、更快、更可靠和更高效的功率器件。在圖1中，比較了硅和SiC的一些主要電氣特性。

關(guān)于制造工藝，迄今為止最困難的挑戰(zhàn)之一是從100毫米(4英寸)晶圓過(guò)渡到150毫米(6英寸)晶圓。雖然晶圓尺寸的增加提供了大幅降低組件單位成本的優(yōu)勢(shì)，但另一方面，它在消除缺陷和提高所交付半導(dǎo)體的可靠性方面提出了苛刻的挑戰(zhàn)。

市場(chǎng)面臨的挑戰(zhàn)主要涉及對(duì)電源解決方案的需求，以滿足對(duì)車(chē)輛電氣化和電池充電系統(tǒng)日益增長(zhǎng)的需求。汽車(chē)行業(yè)無(wú)疑是SiC生產(chǎn)商主要精力集中的行業(yè)之一。制造下一代電動(dòng)汽車(chē)將需要一種滿足高效率和可靠性、消除缺陷和降低成本的嚴(yán)格要求的技術(shù)。

盡管SiC的特性已經(jīng)為人所知一段時(shí)間，但第一批SiC功率器件的生產(chǎn)相對(duì)較新，從2000年代初開(kāi)始，通過(guò)部署100毫米晶圓開(kāi)始。幾年前，大多數(shù)制造商完成了向150毫米晶圓的過(guò)渡，而200毫米(8英寸)晶圓的大規(guī)模生產(chǎn)將在未來(lái)幾年內(nèi)投入使用。

SiC晶圓從4英寸過(guò)渡到6英寸并非沒(méi)有問(wèn)題，這與難以保持相同的質(zhì)量和相同的產(chǎn)量有關(guān)。生產(chǎn)SiC的主要挑戰(zhàn)涉及材料的特性。由于其硬度(幾乎像金剛石一樣)，SiC需要更高的溫度、更多的能量和更多的時(shí)間來(lái)生長(zhǎng)和加工晶體。此外，使用最廣泛的晶體結(jié)構(gòu)(4H-SiC)的特點(diǎn)是高透明度和高折射率，因此很難檢查材料是否存在可能影響外延生長(zhǎng)或最終組件產(chǎn)量的表面缺陷。

SiC基板制造過(guò)程中可能發(fā)生的主要缺陷是晶體堆疊故障，微管，凹坑，劃痕，污漬和表面顆粒。這些因素可能對(duì)SiC器件的性能產(chǎn)生不利影響，在150毫米晶圓上比在100毫米晶圓上更頻繁地檢測(cè)到。由于SiC是世界上第三硬的復(fù)合材料，而且非常脆弱，因此其生產(chǎn)帶來(lái)了與周期時(shí)間，成本和切割性能相關(guān)的復(fù)雜挑戰(zhàn)。

可以肯定的是，即使切換到200毫米晶圓也會(huì)引起重大問(wèn)題。事實(shí)上，有必要保證基板的相同質(zhì)量，面臨不可避免的更高密度的缺陷。

電動(dòng)汽車(chē)中的碳化硅

SiC器件的主要應(yīng)用之一當(dāng)然是汽車(chē)，特別是電動(dòng)汽車(chē)和插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)(PHEV)的生產(chǎn)。下一代電動(dòng)汽車(chē)需要能夠提高車(chē)輛效率(隨之而來(lái)的續(xù)航里程增加)和電池充電速度的功率器件。

事實(shí)證明，SiC逆變器是滿足這些要求的關(guān)鍵解決方案。除了將輸入直流電轉(zhuǎn)換為交流電外，逆變器還根據(jù)驅(qū)動(dòng)需要控制提供給電機(jī)的功率水平。隨著汽車(chē)電動(dòng)公交車(chē)從400 V逐漸遷移到800 V，逆變器的作用變得更加重要。傳統(tǒng)的逆變器在將能量從電池傳輸?shù)诫姍C(jī)方面提供的效率在大約97%到98%之間，而基于SiC的逆變器可以達(dá)到高達(dá)99%的效率。重要的是要強(qiáng)調(diào)效率提高小數(shù)點(diǎn)后一位或兩位如何為整輛車(chē)帶來(lái)非常顯著的優(yōu)勢(shì)。圖2顯示了硅基IGBT和SiC基MOSFET的導(dǎo)通開(kāi)關(guān)損耗之間的比較，證實(shí)與硅相比，SiC的損耗降低了76%。

SiC逆變器是這些類(lèi)型應(yīng)用的理想選擇，因?yàn)樗鼈兛梢猿惺芨唠妷汉透邷兀⒃试S減小所有其他組件的尺寸。通過(guò)使用電壓為800 V的電池，可以降低所需的電流，并且可以使用更小的電纜，從而降低成本和車(chē)輛重量，并簡(jiǎn)化電氣系統(tǒng)的組裝階段。總的來(lái)說(shuō)，這提高了EV或PHEV的續(xù)航里程和效率。通過(guò)使用800V電池，由于使用了基于SiC的大功率DC/DC轉(zhuǎn)換器，充電時(shí)間可以大幅縮短(與400 V電池所需的時(shí)間相比，充電時(shí)間縮短至五分之一)。它們的高效率使得在充電過(guò)程中最大限度地傳遞到電池的能量成為可能，而功率損耗可以忽略不計(jì)。圖3顯示了可以有效使用SiC功率器件的一些汽車(chē)領(lǐng)域，例如逆變器、轉(zhuǎn)換器和電池充電器。

SiC允許功率器件在更高的溫度、電壓和開(kāi)關(guān)頻率下工作，使電力電子模塊比使用硅等傳統(tǒng)半導(dǎo)體制造的模塊功能更強(qiáng)大、更節(jié)能。SiC提供的主要優(yōu)勢(shì)可以總結(jié)如下：

更高的開(kāi)關(guān)頻率

更高的工作溫度

效率更高

更低的開(kāi)關(guān)損耗

高功率密度

減小尺寸和重量

更好的熱管理

SiC的作用領(lǐng)域注定要擴(kuò)大，包括所有需要比基于硅技術(shù)的傳統(tǒng)器件更高的效率或更高功率密度的關(guān)鍵應(yīng)用。盡管這兩種技術(shù)之間存在成本差異，但在電信行業(yè)等多種電源應(yīng)用中使用SiC有助于降低系統(tǒng)的總體成本。例如，這是由于消除了散熱器和冷卻系統(tǒng)，或者由于無(wú)源設(shè)備的尺寸和成本的減小。

SiC最具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用當(dāng)然是5G移動(dòng)技術(shù)，其速度比之前的4G LTE技術(shù)高20×。為了更快地運(yùn)行，我們需要能夠處理更高功率密度、具有更好熱效率(避免危險(xiǎn)的硬件系統(tǒng)過(guò)熱)并為實(shí)現(xiàn)高效率而優(yōu)化的設(shè)備。這些雄心勃勃的性能目標(biāo)與功率MOSFET和肖特基二極管等SiC器件的優(yōu)勢(shì)完美匹配，這些器件能夠在數(shù)百伏的電壓和高于硅可以承受的溫度下工作。

審核編輯：湯梓紅

?