碳化硅技術(shù)的挑戰(zhàn)與應(yīng)用

碳化硅（SiC）是一種由硅和碳組成的半導(dǎo)體材料，用于制造電動汽車（EV）、電源、電機控制電路和逆變器等高壓應(yīng)用的功率器件。與IGBT和MOSFET等傳統(tǒng)的硅基功率器件相比，SiC具有多項優(yōu)勢，這些器件憑借其成本效益和制造工藝的簡單性而長期主導(dǎo)市場。

在電力電子應(yīng)用中，固態(tài)器件需要能夠在高開關(guān)頻率下工作，同時提供低導(dǎo)通電阻、低開關(guān)損耗和出色的熱管理。在電子領(lǐng)域，設(shè)計人員面臨著幾個嚴峻的挑戰(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）可實現(xiàn)更高的開關(guān)速度和更高的擊穿電壓，從而實現(xiàn)更小、更快、更可靠、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。

在制造工藝方面，迄今為止最困難的挑戰(zhàn)之一是從100毫米（4英寸）晶圓過渡到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，但另一方面，它在消除缺陷和提高交付半導(dǎo)體的可靠性方面提出了苛刻的挑戰(zhàn)。

市場帶來的挑戰(zhàn)主要涉及對電源解決方案的需求，以滿足對汽車電氣化和電池充電系統(tǒng)日益增長的需求。汽車行業(yè)無疑是碳化硅生產(chǎn)商主要精力集中的行業(yè)之一。制造下一代電動汽車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格要求的技術(shù)。

制造挑戰(zhàn)

盡管SiC的特性早已為人所知，但第一批SiC功率器件的生產(chǎn)相對較新，從2000年代初開始部署100毫米晶圓。幾年前，大多數(shù)制造商完成了向150毫米晶圓的過渡，而200毫米（8英寸）晶圓的大規(guī)模生產(chǎn)將在未來幾年內(nèi)投入運營。

碳化硅晶圓從4英寸到6英寸的過渡并非沒有問題，這與難以保持相同的質(zhì)量和相同的產(chǎn)量有關(guān)。碳化硅生產(chǎn)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、更多的能量以及更多的晶體生長和加工時間。此外，使用最廣泛的晶體結(jié)構(gòu)（4H-SiC）具有高透明度和高折射率的特點，因此很難檢查材料是否存在可能影響外延生長或最終組件良率的表面缺陷。

碳化硅襯底制造過程中可能出現(xiàn)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。這些因素可能會對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到這些因素。由于碳化硅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)帶來了與周期時間、成本和切割性能相關(guān)的復(fù)雜挑戰(zhàn)。

可以肯定的是，即使改用200毫米晶圓也會帶來重大問題。事實上，面對不可避免的更高密度的缺陷，有必要保證基板的相同質(zhì)量。

電動汽車中的碳化硅

碳化硅器件的主要應(yīng)用之一是汽車，特別是電動汽車和插電式混合動力電動汽車（PHEV）的生產(chǎn)。下一代電動汽車需要能夠提高車輛效率（從而增加續(xù)航里程）和電池充電速度的功率器件。

碳化硅逆變器被證明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)動需要控制提供給電機的功率水平。隨著汽車電動客車從400 V逐步過渡到800 V，逆變器的作用變得更加重要。傳統(tǒng)逆變器在將能量從電池傳輸?shù)诫姍C方面提供的效率約為97%至98%，而基于SiC的逆變器可以達到高達99%的效率。需要強調(diào)的是，效率提高到小數(shù)點后一位或兩位，會給整輛車帶來非常顯著的優(yōu)勢。硅基IGBT和SiC基MOSFET的導(dǎo)通開關(guān)損耗比較如圖2所示，與硅相比，SiC可以降低76%的損耗。

碳化硅逆變器是這些類型應(yīng)用的理想選擇，因為它們可以承受高電壓和高溫，并允許減小所有其他組件的尺寸。通過使用電壓為800 V的電池，可以減少所需的電流，并使用更小的電纜，從而降低成本和車輛重量，并簡化電氣系統(tǒng)的組裝階段?？偟膩碚f，這提高了EV或PHEV的續(xù)航里程和效率。通過使用基于SiC的大功率DC/DC轉(zhuǎn)換器，通過使用800V電池，可以大幅縮短充電時間（與400V電池所需的時間相比，最多可縮短五分之一）。它們的高效率使得在充電過程中最大限度地轉(zhuǎn)移到電池的能量成為可能，功率損耗可以忽略不計。

5G技術(shù)

碳化硅允許功率器件在更高的溫度、電壓和開關(guān)頻率下工作，使電力電子模塊比使用傳統(tǒng)半導(dǎo)體（如硅）制成的模塊更強大、更節(jié)能。碳化硅的主要優(yōu)點可歸納如下：

更高的開關(guān)頻率

更高的工作溫度

效率更高

更低的開關(guān)損耗

高功率密度

減小尺寸和重量

更好的熱管理

碳化硅的作用領(lǐng)域注定會擴大，包括所有需要比基于硅技術(shù)的傳統(tǒng)器件更高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，這是由于取消了散熱器和冷卻系統(tǒng)，或者由于無源器件的尺寸和成本的減小。

SiC最具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用當然是5G移動技術(shù)，其速度比之前的20G LTE技術(shù)高出4×。為了更快地運行，我們需要能夠處理更高功率密度、具有更好熱效率（避免危險的硬件系統(tǒng)過熱）并針對實現(xiàn)高效率進行優(yōu)化的設(shè)備。這些雄心勃勃的性能目標與SiC器件（如功率MOSFET和肖特基二極管）的優(yōu)勢完美匹配，這些器件能夠在幾百伏的電壓和高于硅所能承受的溫度下工作。

對能源的需求不斷增長，可再生能源的使用日益廣泛，使微電網(wǎng)在減少溫室氣體排放和減少化石燃料能源方面發(fā)揮了根本性作用。然而，硅基固態(tài)逆變器和開關(guān)體積龐大且效率低下，無法用于微電網(wǎng)系統(tǒng)。由于具有更高的擊穿電壓和開關(guān)頻率，SiC等WBG半導(dǎo)體正在成為構(gòu)建高效可靠微電網(wǎng)的基本組件。

由于從非線性負載中汲取非正弦電流，連接到網(wǎng)絡(luò)的大量電子設(shè)備在能量分配系統(tǒng)中產(chǎn)生了大量的諧波。消除能量分配系統(tǒng)中諧波失真的傳統(tǒng)技術(shù)之一是使用適當?shù)挠性椿驘o源濾波器。基于SiC的功率器件能夠在特別高的開關(guān)電壓和頻率下工作，可以將諧波補償功能直接集成到轉(zhuǎn)換器中，無需專用濾波器，從而減小了設(shè)計的尺寸、復(fù)雜性和成本。

無錫國晶微半導(dǎo)體技術(shù)有限公司是寬禁帶第三代半導(dǎo)體碳化硅SiC功率器件、氮化鎵GaN光電器件以及常規(guī)集成電路研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化的高科技創(chuàng)新型企業(yè)，從事碳化硅場效應(yīng)管，碳化硅肖特基二極管、GaN光電光耦繼電器、單片機集成電路等產(chǎn)品芯片設(shè)計、生產(chǎn)與銷售并提供相關(guān)產(chǎn)品整體方案設(shè)計配套服務(wù)，總部位于江蘇省無錫市高新技術(shù)開發(fā)區(qū)內(nèi)，并在杭州、深圳和香港設(shè)有研發(fā)中心和銷售服務(wù)支持中心及辦事處。

公司具有國內(nèi)領(lǐng)先的研發(fā)實力，專注于為客戶提供高效能、低功耗、低阻值、品質(zhì)穩(wěn)定的碳化硅高低功率器件及光電集成電路產(chǎn)品，同時提供一站式的應(yīng)用解決方案和現(xiàn)場技術(shù)支持服務(wù)，使客戶的系統(tǒng)性能優(yōu)異、靈活可靠，并具有成本競爭力。

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審核編輯：湯梓紅