突破碳化硅(SiC)和超結(jié)電力技術(shù)的極限

PowerMasterSemiconductor(PMS)是一家韓國半導(dǎo)體器件公司，團(tuán)隊(duì)在電力半導(dǎo)體行業(yè)擁有超過二十年的經(jīng)驗(yàn)，他們專注于開發(fā)和生產(chǎn)先進(jìn)的碳化硅(SiC)二極管和MOSFET，以及超結(jié)(SJ)MOSFET，今天來聊聊他們創(chuàng)新的eMOS E7和eSiC MOSFET技術(shù)。

eMOS E7超結(jié)技術(shù)提供了快速的開關(guān)性能，同時具有低開關(guān)噪音和過沖尖峰。這提高了系統(tǒng)的可靠性和出色的堅(jiān)固性。

eMOS E7的強(qiáng)大雪崩能力適用于硬開關(guān)應(yīng)用，而其強(qiáng)大的內(nèi)在體二極管性能在軟開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(如LLC諧振轉(zhuǎn)換器或ZVS相移全橋轉(zhuǎn)換器)中提高了系統(tǒng)的可靠性。因此，eMOS E7系列適用于需要優(yōu)越效率和更高功率密度的許多應(yīng)用，如消費(fèi)品、工業(yè)和汽車應(yīng)用。

如今，電力轉(zhuǎn)換行業(yè)在汽車和工業(yè)應(yīng)用中面臨諸多挑戰(zhàn)，如可再生能源、電機(jī)驅(qū)動、車載充電器(OBC)、電子壓縮機(jī)和牽引逆變器。此外，人工智能(AI)的快速發(fā)展推動了數(shù)據(jù)中心對能源的巨大需求?，F(xiàn)代服務(wù)器電源單元(PSU)旨在滿足80 Plus Titanium標(biāo)準(zhǔn)，要求在半負(fù)荷下超過96%的峰值效率。

PMS通過其eSiC MOSFET技術(shù)應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。eSiC MOSFET使創(chuàng)新的高性能PSU設(shè)計(jì)成為可能，進(jìn)一步縮小了尺寸，同時解決了熱和電磁干擾問題。根據(jù)PMS的說法，eSiC MOSFET提供了出色的開關(guān)性能、并行操作的穩(wěn)定閾值電壓以及100%測試的雪崩能力。

隨著效率和功率密度變得越來越重要，SiC的價格繼續(xù)下降，SiC取代硅的速度將加快，SiC將在工業(yè)和汽車應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。

eSiC MOSFET技術(shù)的優(yōu)勢

eSiC Gen1技術(shù)旨在通過最小化動態(tài)COSS和開關(guān)損耗并提高硬開關(guān)和軟開關(guān)拓?fù)渲械难┍缊?jiān)固性，實(shí)現(xiàn)整個負(fù)載范圍內(nèi)的高效率和可靠性。

如圖2所示，eSiC MOSFET相對于競爭對手的平面和溝槽SiC MOSFET的一個獨(dú)特優(yōu)勢是較低的電壓過沖，即使在更高的dv/dt下也能降低關(guān)斷開關(guān)損耗。

根據(jù)公司說法，將于今年發(fā)布的下一代eSiC MOSFET的品質(zhì)因數(shù)(FOMs)預(yù)計(jì)將與最新競爭對手的SiC MOSFET相當(dāng)或更優(yōu)。與Gen1 eSiC MOSFET相比，Gen2 eSiC MOSFET將FOMs(EOSSRDS(ON)和QOSSRDS(ON))提高了33%，QG*RDS(ON) FOMs提高了40%。Gen2 eSiC MOSFET的開關(guān)損耗相比Gen1 eSiC MOSFET改善了40%。

可靠性方面

為了確保SiC MOSFET能夠承受苛刻的環(huán)境并在長時間內(nèi)保持其性能，PMS正在進(jìn)行動態(tài)HTGB(高溫柵偏)測試，以評估柵氧化層在高溫和電壓條件下的穩(wěn)定性。

體二極管測試有助于了解體二極管在重復(fù)開關(guān)和高電流情況下的行為和耐久性。相反，超過3000小時的正常偏置條件下進(jìn)行的長期耐久性測試提供了設(shè)備長期可靠性和潛在失效機(jī)制的洞見。

SiC功率器件的一個相關(guān)挑戰(zhàn)是閾值電壓漂移，主要是由于SiC的柵氧化層厚度比硅薄。在MOSFET中施加相同的柵偏時，在較薄的柵氧化層中會產(chǎn)生較高的電場。柵氧化層的穩(wěn)定性受到電場強(qiáng)度的強(qiáng)烈影響。

通過減少氧化層中的電荷和/或界面態(tài)陷阱密度，應(yīng)該可以減少SiC中的閾值電壓漂移，并防止柵應(yīng)力條件對柵氧化層質(zhì)量的影響。正在開發(fā)各種方法來穩(wěn)定閾值電壓漂移。此外，設(shè)備設(shè)計(jì)也在考慮在苛刻的工作條件下屏蔽柵氧化層中的電場。

為了有效評估影響SiC MOSFET柵氧化層可靠性的缺陷，PMS使用了幾種關(guān)鍵方法。HTGB測試(包括正向和負(fù)向)是評估柵氧化層完整性的一種標(biāo)準(zhǔn)方法。為了確定柵氧化層在連續(xù)應(yīng)力條件下的壽命，進(jìn)行了時間依賴電介質(zhì)擊穿(TDDB)測試。偏置溫度不穩(wěn)定性(BTI)測試也用于評估柵氧化層在長期電壓應(yīng)力和溫度變化下的響應(yīng)。

此外，PMS在大規(guī)模生產(chǎn)過程中進(jìn)行了燒機(jī)測試，以篩選出由柵氧化層缺陷引起的早期壽命故障。這些綜合評估方法確保了對SiC MOSFET柵氧化層可靠性的全面理解和強(qiáng)有力評估。

根據(jù)PMS的說法，就柵結(jié)構(gòu)的可靠性而言，平面柵結(jié)構(gòu)顯示出比溝槽柵結(jié)構(gòu)更好的穩(wěn)定性，因?yàn)殡妶鋈菀妆幌噜彽腜井保護(hù)。然而，在溝槽柵結(jié)構(gòu)中，在溝槽底部會產(chǎn)生高電場，這會顯著退化。為了克服這個問題，可以應(yīng)用各種保護(hù)方案，如厚底部氧化層、在溝槽底部柵氧化層下方的附加P層、深P井等。

SiC在電力轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

SiC技術(shù)帶來了顯著的好處，包括更高的系統(tǒng)效率、減少系統(tǒng)尺寸和重量以及由于其在各種電力轉(zhuǎn)換拓?fù)渲袔缀醪淮嬖诜聪蚧謴?fù)電荷而降低的開關(guān)損耗。

SiC MOSFET針對可以最大化SiC性能的橋式拓?fù)溥M(jìn)行了優(yōu)化。此外，該領(lǐng)域的系統(tǒng)功率也在穩(wěn)步增加。例如，車載充電器(OBC)正在從6.6kW過渡到11kW至22kW的范圍，并且雙向操作正成為實(shí)現(xiàn)V2L(車對負(fù)載)、V2G(車對電網(wǎng))、V2V(車對車)和V2H(車對家電)等功能的一大趨勢。同樣，人工智能的興起正推動服務(wù)器功率需求從3kW增加到12kW。

然而，系統(tǒng)還需要優(yōu)化SiC MOSFET的限制。SiC MOSFET的短路耐受時間(SCWT)已知約為3微秒，顯著短于硅IGBT。因此，SiC MOSFET需要獨(dú)特的柵驅(qū)動器，帶有保護(hù)電路，以快速準(zhǔn)確地檢測故障，從而保護(hù)開關(guān)設(shè)備和系統(tǒng)免受短路過電流的影響。

在汽車行業(yè)，保持極低的每百萬缺陷率(dpm)至關(guān)重要，這一要求同樣適用于SiC MOSFET和傳統(tǒng)的基于硅的半導(dǎo)體。為了確保最高水平的可靠性，PMS在整個生產(chǎn)過程中采用了先進(jìn)的制造工藝和嚴(yán)格的質(zhì)量控制措施。

PMS的SiC MOSFET經(jīng)過專門為汽車和工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)的嚴(yán)格測試協(xié)議。這些測試包括AEC-Q101中規(guī)定的所有測試項(xiàng)目。他們的綜合測試設(shè)置涵蓋環(huán)境應(yīng)力測試、可靠性演示測試、電熱應(yīng)力測試和機(jī)械應(yīng)力測試。

持續(xù)改進(jìn)是公司方法的核心，因?yàn)镻MS通過不斷的研究和開發(fā)努力不斷完善其產(chǎn)品。此外，PMS積極監(jiān)測其SiC MOSFET的現(xiàn)場性能，確保其在操作壽命內(nèi)的可靠性。

為了應(yīng)對汽車客戶的擔(dān)憂，PMS還提供了關(guān)于可靠性測試程序和結(jié)果的詳細(xì)文檔，以PPAP格式提交。

關(guān)于半導(dǎo)體制造，SiC市場預(yù)計(jì)將在未來推動對8英寸晶圓的持續(xù)需求增長。總體來看，在2028年之前確保具有競爭力的成本和質(zhì)量并不容易。這似乎是大多數(shù)SiC晶圓供應(yīng)商的共同看法。

與此同時，8英寸硅可以被認(rèn)為具有相對較高的價值，如GaN，而不是傳統(tǒng)產(chǎn)品(如SJ MOS / IGBT)，并且還可以操作針對利基市場的產(chǎn)品，如超過200V的MV MOS。當(dāng)6英寸SiC轉(zhuǎn)向8英寸SiC時，8英寸硅制造技術(shù)將發(fā)揮重要作用。