碳化硅技術(shù)的挑戰(zhàn)與未來展望

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，例如電動汽車 (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（例如 IGBT 和 MOSFET）相比，碳化硅具有多項(xiàng)優(yōu)勢，這些器件憑借其成本效益和制造工藝的簡單性長期以來一直主導(dǎo)著市場。?

在電力電子應(yīng)用中，固態(tài)器件需要能夠在高開關(guān)頻率下運(yùn)行，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(jì)人員面臨著幾個艱巨的挑戰(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，寬帶隙 (WBG) 材料（如 SiC）的使用可實(shí)現(xiàn)更高的開關(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。?

圖 1：SiC 和 Si 的一些相關(guān)特性的比較（來源：? IEEE）?

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）晶圓過渡到 150 毫米（6 英寸）晶圓。雖然晶圓尺寸的增加提供了顯著降低組件單位成本的優(yōu)勢，但另一方面，它對消除缺陷和提高所交付半導(dǎo)體的可靠性提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。?

市場帶來的挑戰(zhàn)主要涉及對適合滿足車輛電氣化和電池充電系統(tǒng)不斷增長的需求的電源解決方案的需求。汽車行業(yè)無疑是 SiC 生產(chǎn)商的主要努力集中的行業(yè)之一。制造下一代電動汽車需要一種能夠滿足高效率和可靠性、消除缺陷和降低成本等嚴(yán)格要求的技術(shù)。?

制造挑戰(zhàn)

盡管 SiC 的特性已經(jīng)為人所知一段時間，但第一個 SiC 功率器件的生產(chǎn)相對較新，從 2000 年代初通過部署 100 毫米晶圓開始。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(yùn)營。?

SiC 晶圓從 4 英寸到 6 英寸的過渡并非沒有問題，這與保持相同質(zhì)量和相同產(chǎn)量的難度有關(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（幾乎類似于金剛石），碳化硅需要更高的溫度、更多的能量和更多的時間來進(jìn)行晶體生長和加工。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(diǎn)，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產(chǎn)量的表面缺陷。?

SiC 襯底制造過程中可能出現(xiàn)的主要缺陷是晶體堆垛層錯、微管、凹坑、劃痕、污點(diǎn)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。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)。?

可以安全地預(yù)測，即使切換到 200 毫米晶圓也會帶來重大問題。事實(shí)上，有必要保證基板的相同質(zhì)量，但不可避免地會面臨更高的缺陷密度。?

電動汽車中的碳化硅

碳化硅器件的主要應(yīng)用之一當(dāng)然是汽車，尤其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）和電池充電速度的電源設(shè)備。?

事實(shí)證明，碳化硅逆變器是滿足這些要求的關(guān)鍵解決方案。除了將輸入的直流電轉(zhuǎn)換為交流電之外，逆變器還根據(jù)驅(qū)動需要控制提供給電機(jī)的功率水平。隨著汽車電動巴士從 400 V 逐步遷移到 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(jī)方面提供了大約 97% 到 98% 的效率，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)一位或兩位小數(shù)的效率提高如何為整個車輛帶來非常顯著的優(yōu)勢。硅基 IGBT 和 SiC 基 MOSFET 的開通開關(guān)損耗對比如圖 2所示?，證實(shí)與硅相比，碳化硅可以減少 76% 的損耗。?

圖 2：SiC MOSFET 和 Si IGBT 之間的損耗比較（來源：東芝）?

碳化硅逆變器非常適合這些類型的應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兡軌虺惺芨唠妷汉透邷?，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，所需的電流會降低，并且可以使用更小的電纜，從而降低成本和車輛重量，并簡化電氣系統(tǒng)的組裝階段。總的來說，這提高了 EV 或 PHEV 的續(xù)航里程和效率。通過使用 800V 電池，由于使用了基于 SiC 的大功率 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，充電時間可以大大減少（與 400V 電池所需的時間相比，最多可縮短五分之一）。它們的高效率使充電過程中傳輸?shù)诫姵氐哪芰孔畲蠡蔀榭赡?，而功率損失可以忽略不計(jì)。?圖 3?展示了一些可以有效使用 SiC 功率器件的汽車領(lǐng)域，例如逆變器、轉(zhuǎn)換器和電池充電器。?

圖 3：碳化硅提高了電動汽車的效率。（來源：EE Times Europe）?

5G

碳化硅允許功率器件在更高的溫度、電壓和開關(guān)頻率下運(yùn)行，使功率電子模塊比用硅等傳統(tǒng)半導(dǎo)體制造的功率電子模塊更強(qiáng)大、更節(jié)能。碳化硅的主要優(yōu)勢可以總結(jié)如下：?

更高的開關(guān)頻率?

更高的工作溫度?

更高的效率?

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)器件更高效率或更高功率密度的關(guān)鍵應(yīng)用。盡管兩種技術(shù)之間存在成本差異，但在電信部門等多個電源應(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)，或者是由于無源設(shè)備的尺寸和成本降低了。?

SiC 最具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用無疑是 5G 移動技術(shù)，其速度比之前的 4G LTE 技術(shù)高出 20 倍。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)過熱）并經(jīng)過優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)高效率的設(shè)備。這些雄心勃勃的性能目標(biāo)與 SiC 器件所提供的優(yōu)勢完美匹配，例如功率 MOSFET 和肖特基二極管，能夠在數(shù)百伏的電壓和高于硅所能承受的溫度下工作。?

微電網(wǎng)

對能源的需求不斷增長和可再生能源的日益廣泛使用，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)揮著重要作用。然而，硅基固態(tài)逆變器和開關(guān)體積太大且效率低下，無法在微電網(wǎng)系統(tǒng)中使用。由于具有更高的擊穿電壓和開關(guān)頻率，諸如 SiC 之類的 WBG 半導(dǎo)體被提議作為構(gòu)建高效可靠微電網(wǎng)的基本組件。?

由于來自非線性負(fù)載的非正弦電流，連接到網(wǎng)絡(luò)的大量電子設(shè)備會在能量分配系統(tǒng)中產(chǎn)生大量諧波。消除能量分配系統(tǒng)中諧波失真的傳統(tǒng)技術(shù)之一是基于使用適當(dāng)?shù)挠性椿驘o源濾波器?；?SiC 的功率器件能夠在特別高的開關(guān)電壓和頻率下運(yùn)行，可以將諧波補(bǔ)償功能直接集成到轉(zhuǎn)換器中，無需專用濾波器，從而降低設(shè)計(jì)的尺寸、復(fù)雜性和成本。?

　　審核編輯：湯梓紅