SiC芯片需求激增

随着电动汽车和其他系统的增长，碳化硅(SiC)功率半导体市场的需求突然激增。

但这种需求也导致市场上基于sic的器件供应紧张，促使一些供应商在棘手的晶圆尺寸过渡期间增加晶圆厂产能。一些碳化硅器件制造商正在晶圆厂从4英寸晶圆过渡到6英寸晶圆。

原文如此是一种基于硅和碳的复合半导体材料。在生产流程中，开发专用SiC衬底，然后在晶圆厂进行加工，从而产生基于SiC的功率半导体。许多基于sic的功率半芯片和竞争技术都是专门的晶体管，可以在高电压下切换设备中的电流。它们用于电力电子领域，其中设备转换和控制系统中的电力。

碳化硅之所以突出，是因为它是一种宽带隙技术。与传统的硅基器件相比，SiC具有10倍的击穿场强和3倍的热导率，使其成为高压应用的理想选择，如电源、太阳能逆变器、火车和风力涡轮机。在另一个应用中，碳化硅被用于制造led。

最大的增长机会在于汽车行业，尤其是电动汽车。基于sic的功率半导体被用于电动汽车的车载充电单元，而该技术正在进入系统的关键部分——牵引逆变器。牵引逆变器为电机提供牵引以推动车辆。

对于这一应用，特斯拉正在一些车型上使用SiC动力装置，而其他电动汽车制造商正在评估这项技术。“当人们讨论SiC功率器件时，汽车市场绝对是焦点。丰田(Toyota)和特斯拉(Tesla)等先驱者的SiC活动给市场带来了许多兴奋和喧嚣，”Yole Développement分析师林洪表示。“SiC mosfet在汽车市场具有潜力。但目前还存在一些挑战，比如成本、长期可靠性和模块设计。”

Yole称，在汽车和其他市场的推动下，2017年碳化硅功率器件业务达到3.02亿美元，较2016年的2.48亿美元增长22%。林说:“我们预计2018年将出现飞跃，这是由汽车行业推动的，特斯拉Model 3已经采用了SiC MOSFET模块。”

据Yole称，到2023年，SiC功率半导体市场预计将达到15亿美元。SiC器件的供应商包括富士、英飞凌、Littelfuse、三菱、安森半导体、意法半导体、罗姆、东芝和Wolfspeed。狼速族是克里族的一部分。X-Fab是唯一的SiC代工供应商。

使原文如此
电力电子在世界电力基础设施中发挥着关键作用。该技术应用于工业(电机驱动)、交通(汽车、火车)、计算(电源)和可再生能源(太阳能、风能)。电力电子在系统中转换交流电和直流电(交流和直流)。

对于这些应用，业界使用各种功率半导体。一些功率半晶体管是专门的晶体管，在系统中起开关作用。它们允许电源在“开”状态下流动，并在“关”状态下停止。

功率半元件是在成熟节点上制造的。这些设备旨在提高效率并最大限度地减少系统中的能量损失。通常，它们的额定电压和其他规格，而不是工艺几何。

多年来，主导的功率半晶体管技术一直(现在仍然是)基于硅，即功率MOSFET和绝缘栅双极晶体管(IGBT)。功率mosfet被认为是最便宜和最受欢迎的设备，用于适配器，电源和其他产品。它们被用于高达900伏的应用。

在传统的MOSFET器件中，源极和漏极位于器件的顶部。相比之下,功率场效应管具有垂直结构，其中源和漏位于设备的相对两侧。垂直结构使该设备能够处理更高的电压。

领先的中端功率半导体器件是IGBT它结合了mosfet和双极晶体管的特性。igbt用于400伏到10千伏的应用。

问题是功率mosfet和igbt正在达到它们的理论极限，并遭受不必要的能量损失。器件的能量损失有两个原因:导通和开关。传导损耗是由于器件中的电阻，而开关损耗发生在开和关状态。

“从5伏特到几百伏特，硅一直是一项很好的技术，”Wolfspeed电力营销和应用高级总监盖伊·莫西(Guy Moxey)说。“当你从600到900伏，硅mosfet是好的，但他们开始失去一些蒸汽。igbt是很好的重型搬运设备，但速度和效率都不高。”

这就是SiC的用武之地。动力半基于出(GaN)也正在兴起。GaN和SiC都是宽带隙技术。硅的带隙为1.1 eV。相比之下，SiC的带隙为3.3 eV, GaN为3.4 eV。

“电子带隙是固体材料中价带顶部和导带底部之间的能隙，”Mouser Electronics的撰稿人Landa Culbertson在一篇博客中写道。“正是带隙使半导体能够根据需要开关电流，以实现给定的电气功能。”

宽带隙器件有几个优点。例如，电动汽车由电机驱动驱动，传统上使用功率mosfet或igbt。Wolfspeed公司的Moxey表示:“如果将电机驱动器换成碳化硅，驱动器的损耗将降低80%。“这意味着在相同的续航里程下，你可以使用更小的电池。电池越小，成本越低。”

与此同时，基于sic的功率半导体用于600伏特到10千伏的应用。“600到1700伏是大多数SiC应用的电压。当你从3.3到10千伏，这是非常特殊的。就是风力发电和小型电网。”

在电力领域，GaN用于30至600伏的应用。“GaN和SiC是互补的，而不是竞争的技术，”他补充说。

GaN和SiC器件的速度都比硅器件快，但它们也更昂贵。Yole旗下System Plus Consulting部门设备负责人Elena Barbarini表示:“目前，单个SiC MOSFET器件的每安培成本比类似的IGBT高出5倍以上。”

第一个基于SiC的器件出现在2002年，并引入了SiC二极管，随后在2011年推出了SiC功率mosfet。与功率mosfet一样，基于sic的器件是垂直结构。

SiC功率MOSFET是一种基于SiC的功率开关晶体管。Rohm公司的应用工程师Mitch Van Ochten解释说:“二极管是一种向一个方向传递电流并在相反方向阻挡电流的设备。

无论如何，碳化硅动力半发动机正在获得动力。“硅在电力设备中扮演着巨大的角色，”该公司战略和技术营销总监迈克·罗莎(Mike Rosa)说应用材料．“但当你谈到更高的功率和更低的重量时，制造商正在考虑碳化硅等材料。”

基于sic的设备是在晶圆厂生产的，在那里行业继续进行晶圆尺寸的过渡。“SiC可用于4英寸或6英寸，”Rosa说。“这个行业只是在探索8英寸的轮胎。”

事实上，Cree已经在晶圆厂完成了从4英寸(100mm)晶圆到6英寸(150mm)晶圆的过渡。罗姆等人正处于过渡时期。在200mm晶圆上使用SiC在一段时间内不会发生。

一般来说，当移动到一个新的晶圆尺寸时，每个晶圆会增加2.2倍的芯片。更大的晶圆尺寸降低了整体生产成本。

在数字CMOS领域，芯片制造商几年前就完成了从4英寸到6英寸的过渡。对SiC进行同样的转换听起来很简单，但有一些挑战。该公司战略营销高级总监David Haynes表示:“尽管在150mm晶圆上大规模生产SiC功率器件已经证明了近五年的时间，但高性能、低缺陷密度150mm SiC基板的可用性和成本仍然是采用的障碍。林的研究．

Haynes说:“也就是说，随着向150毫米量产过渡的实现，相关的成本节约将有助于推动越来越多应用的商业可行性。”“另一个例子是SiC MOSFET技术的路线图。平面SiC mosfet已经在商业应用中被证明了一段时间，但今天，SiC沟槽mosfet的开发和商业化取得了重大进展，与平面结构相比，它可以提供显著降低的比导通电阻。”

与此同时，在晶圆厂中，基于sic的功率器件通常遵循与基于硅的芯片相同的工艺流程。但也有一些差异，如SiC衬底的发展。

对于硅基芯片来说，这一过程的第一步是开发原始硅片。为此，将硅种子晶体放入坩埚中加热。由此产生的主体被称为铸锭，它被拉出并切成从300毫米到更小的各种尺寸的硅片。

然而，对于碳化硅，SiC块状晶体被放入坩埚中，然后加热。产生的钢锭被拉出并切成晶片。

多年来，碳化硅块状晶体一直被称为微管的缺陷所困扰，微管是贯穿晶体的微米大小的孔。“微管缺陷和其他会破坏设备运行的缺陷现在几乎都被消除了。材料供应商现在正在提供零微管产品，”华威大学(University of Warwick)副教授彼得·加蒙(Peter Gammon)说。

一旦SiC晶圆被开发出来，下一步就是形成SiC衬底。原始晶圆被插入到沉积系统中，其中SiC外延层生长在晶圆上，从而形成SiC衬底。然后，SiC衬底在晶圆厂进行加工。

碳化硅需要选择性退火工艺。“对于功率器件，电流通过晶圆。3D-Micromac的产品经理Hans-Ulrich Zühlke说:“你需要一个良好的金属界面导电。“我们只加热晶圆的背面，对欧姆触点进行退火，以制作金属碳化硅界面。”

最后，使用检测系统对晶圆进行缺陷检测。SiC器件很容易出现缺陷，特别是当供应商转向更大的晶圆尺寸时。LS-SWIFT部门的副总裁兼总经理Lena Nicolaides说:“有很多缺陷KLA-Tencor．“我们的检测系统用于较低波长(SiC)。他们能够发现基质中的不连续。”

电动汽车中的SiC
与此同时，如今汽车是整个半导体行业中增长最快的领域。“越来越多的客户正在重新定义他们的产品组合，以适应物联网和/或汽车市场，”公司业务发展副总裁Walter Ng说联华电子．“今年我们的汽车相关收入大幅增长，我们预计在可预见的未来将继续保持这一方向。”

碳化硅在汽车领域也在增长，尤其是在电动汽车领域。总体而言，包括纯电动汽车和混合动力汽车在内的电动汽车约占全球汽车销量的1%。但在中国和其他国家的推动下，电动汽车市场将从2018年的160万辆增长到2019年的200万辆。根据Frost & Sullivan的数据，到2025年，这一市场预计将达到2500万辆。

海恩斯说:“电动汽车和混合动力电动汽车的采用肯定正在成为现实。”“然而，世界各地采用电动汽车的时间和速度差异很大，这与政府政策以及消费者能否获得价格合理的产品和充电基础设施密切相关。毫无疑问，中国市场是电动汽车普及的关键增长引擎。”

在电动汽车内部，该系统有几个领域，如娱乐系统、车载充电器、牵引逆变器等。牵引逆变器将能量从电池转换到牵引电机，然后推动车辆。

SiC正在进军车载充电器、dc - dc转换器和牵引逆变器领域。车载充电器通过电网为车辆充电。

图1:电动汽车电力电子技术

dc - dc转换器获取电池电压，然后将其降至较低的电压。这是用来控制窗户，加热器等功能。

设备制造商之间的大战正在牵引逆变器领域展开，特别是针对纯电池电动汽车。一般来说，混合动力车正朝着48v电池的方向发展。对于动力发明者来说，碳化硅对于混合动力来说通常过于昂贵，尽管也有例外。

与混合动力汽车一样，纯电池电动汽车由牵引逆变器组成。高压母线将逆变器连接到电池和电机。电池为汽车提供能量。驱动车辆的马达有三根连接线。

这三个连接延伸到牵引逆变器，然后连接到逆变器模块内的六个开关。

每个开关实际上是一个功率半导体，它在系统中起到电气开关的作用。对于交换机，目前的技术是IGBT。因此牵引逆变器可能由六个igbt组成，额定电压为1200伏特。

“实际上，它们是电动开关。对于这些电动开关，我们有多种技术可供选择，可以启用或禁用各种电机绕组，并有效地使电机旋转。”“用于此功能的最流行的电子半导体开关称为IGBT。90%以上的汽车制造商都在使用它们。这是根据需要将电池电流切换到电机的最便宜的方式。”

然而，使用igbt有一些权衡。“它们的价格可能只有最新技术的三分之一，”他说，“但它们的速度很慢。”

这就是业界瞄准的SiC mosfet，其开关速度比igbt更快。“(SiC mosfet)还降低了开关损耗，同时在低功率和中等功率水平上降低了传导损耗，”该公司宽带隙和功率RF业务部门主管Maurizio Ferrara说意法半导体．“它们的工作频率是IGBT的四倍，效率相同，由于更小的被动和更少的外部组件，重量、尺寸和成本都降低了。因此，与硅解决方案相比，SiC mosfet的效率可提高90%。”

所以对于牵引逆变器来说，从IGBT转向SiC MOSFET是有意义的。但事情并没有那么简单，因为成本在等式中扮演着重要的角色。

然而，特斯拉已经冒险一试。据Yole报道，该公司在Model 3上使用了意法半导体的SiC mosfet，该公司还补充说，特斯拉也在使用其他供应商。其他汽车制造商也在探索这项技术，但出于成本考虑，大多数原始设备制造商并没有加入这一潮流。

不过，有几种方法可以实现从igbt到SiC mosfet的转换。根据Rohm的说法，有以下几种选择:

•保持IGBT在系统中，但将硅二极管替换为SiC二极管。
•将硅基IGBT和二极管替换为sic基mosfet和二极管。

在逆变器中，有六个igbt，每一个都伴随着一个单独的硅基二极管。使用二极管有几个原因。“当你在igbt上施加极性或电压时，igbt不喜欢这样，”Rohm的Van Ochten说。“所以需要在每个IGBT上添加一个二极管，以防止在关闭开关时破坏它。”

使系统更有效率的一种方法是更换硅二极管。“提高牵引逆变器效率的第一步是将igbt留在那里。但是，你用碳化硅二极管代替普通硅二极管，”他说。碳化硅二极管具有更好的性能。这将使你的效率提高几个百分点。”

最终的解决方案是用基于sic的二极管和mosfet取代igbt和硅二极管。“由于材料的价格，碳化硅比硅更贵。然而，如果你的开关速度加快4到5倍，你就可以降低磁性和电容器的成本。”

这一切将走向何方?英飞凌美洲公司汽车业务副总裁Shawn Slusser表示:“当我们研究不同的应用时，我们预计充电站和车载充电器将是第一批采用SiC技术的应用。

“在汽车应用方面，我们预计IGBT将在未来十年主导市场。SiC在更高的效率和更高的功率密度方面具有优势，但SiC组件成本更高。这意味着，在相同的续航里程下，减小尺寸和更小的电池容量所带来的好处，需要弥补更高的成本。”“这就是为什么我们认为SiC将首先用于车载充电器，因为SiC在更高开关频率下的效率与更小的无源组件可以弥补更高的SiC器件成本。只要节省的电池成本高于增加的SiC器件成本，SiC将被引入大电池电动汽车的主要逆变器应用的广阔市场。对于800伏系统的电动汽车，还有其他好处，比如充电时间更短，逆变器效率更高，电缆成本更低。”

可以肯定的是，碳化硅正在升温，电动汽车也是如此。如果供应商能够降低成本，SiC功率半晶片似乎将占据主导地位。但说起来容易做起来难。

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