碳化硅的来龙去脉

约翰•Palmour首席技术官克里族,坐下来谈谈碳化硅半导体工程,如何比较硅,从设计和包装的角度看,有什么不同和使用。以下是摘录的谈话。

SE:碳化硅电力电子与射频易于理解,但是是主要优势的能力,设备运行温度比硅,还是节约能源?

Palmour:我们的目标是节约能源和降低系统成本。碳化硅节省了OEM的钱。

SE:前面吗?

Palmour:是的。例如,如果你说,“好吧,我可以把在碳化硅,哪个更昂贵的比IGBT但我可以节省3倍电池成本,这是他们做的。”往往用于前期成本。

SE:但这不是一对一的节省材料。更多关于系统成本,对吧?

Palmour:是的,当然。碳化硅比硅更昂贵的igbt,我们得到胜利的地方就是他们意识到储蓄在系统水平。它几乎总是一个系统出售。

SE:采用碳化硅放缓?

Palmour:你必须找到你省钱在系统的应用水平。但是当你这样做,开始运输体积,价格下来,你开始打开其他应用程序。过去,限制因素是预先成本,但是人们开始在系统成本,他们意识到更多的预先成本从这个角度与碳化硅更好。

SE:碳化硅与硅的可用性如何?

Palmour:如果你是一个汽车OEM,你担心能力,因为这些汽车设计的影响将是推动市场成为一个比今天多。保证供应是一个问题。这就是为什么克里族无数晶片供应协议与其他公司宣布,使碳化硅设备。我们用Delphi做了一个声明,我们出售芯片Delphi和他们出售欧洲OEM的逆变器。这些东西正在看着,你必须锁定供应。在这些长期采购协议,我们必须知道,需求将在我们投入大量的资金能力。我们去年宣布增加10亿美元的资本支出大大增加我们的产能,以满足这一需要。这是必需的,这只是一个开始。如果你运行上的数字电池电动汽车整体汽车市场的渗透,这仅仅是开始。

SE:这是所有200毫米,还是旧的技术?

Palmour:今天所有生产的大部分在150毫米6英寸晶圆。还有一些4英寸。我们建立一个新的工厂,200年在纽约mm-capable,但我们不做任何今天200毫米,不期待多年的准备。当8英寸是准备好了,我们可以把它打开。设备都是200毫米,这样我们可以快速移动它到8英寸的时候是正确的。今天没有生产8英寸。

SE:从硅片制造过程截然不同?它使用同样的工具通常会使用吗?

Palmour:如果你说材料增长,这是不一样的。晶体生长是截然不同的。切片,抛光,外延都是完全不同的。但是一旦你进入工厂,这是相当标准的设备除了两个或三个过程,即根据碳化硅。基本很silicon-like工厂流程,和大量的洁净室专用设备是典型的硅设备。

SE:测试和检验方面怎么样?

Palmour:那些非常类似于硅。

SE:因为SiC运行在更高的温度,是defectivity更多的问题吗?

Palmour:硅的原因不能去高温本质上是因为它开始进行。真的不再是半导体在175°C,并通过200°C成为导体。碳化硅的温度要高得多——约1000°C,所以它可以在更高的温度下运行。但我们不针对温度远高于硅由于包装。温度越高你包率,δT越大温度低,温度高和你的包可以降低越快。我们不会从根本上温度较高。事实上,因为我们高效,我们不要让热在每平方公分的基础上。我们的芯片通常约为175°C,这不是远高于硅。

SE:将碳化硅放入ASIL D类汽车或工业应用程序,对吗?

Palmour:是的,当然。

SE:在物理层面上有什么不同呢?

Palmour:硅的能带隙1.1 electronvolts,基本上是需要多少能量的定义把电子两个硅原子之间的键。所以需要1.1 electronvolts猛拉一个电子的键。碳化硅的带隙3.2 electronvolts,所以它需要3倍的能量。但它实际上是一个指数函数。很多半导体能带隙的特点是指数。宽能带我们有三次,但当涉及到电击穿我们实际上有10倍电击穿。

SE:这是什么意思的实际应用?

Palmour:它意味着如果你让相同的结构在硅和碳化硅- epi厚度相同,相同的掺杂度-碳化硅版本将比硅块10倍电压版本。你可以场效应晶体管在硅和可以使碳化硅的MOSFET。场效电晶体硅中很常见的低压区域,从10伏到300伏特。300伏特以上,硅MOSFET的阻力会非常高,MOSFET缺乏吸引力。太贵了。所以他们会切换到双相设备。场效应晶体管是一种单相设备,这意味着没有少数运营商。只有电子流动的设备。当一个单极设备,它可以切换非常非常快。如果你看一个60伏MOSFET,开关速度非常快,这是,这就是为什么你可以在硅兆赫处理器。他们非常低压mosfet -也许5伏特。 But when you get up higher in voltage you have to go to a bipolar device, meaning that both electrons and electron holes are flowing in the device at the same time. And every time you switch, you have to dissipate all those electrons and holes recombining and generating energy. The bipolar device gives you much lower resistance and a much smaller, more affordable chip, but you’ve got to dissipate that excess heat every time you switch. That’s the tradeoff you’re making. You can make an affordable power switch, but it’s not very efficient.

图1:原文如此MOSFET。来源:克里族

与碳化硅SE: ?

Palmour:碳化硅高出10倍细分领域。我们的600伏MOSFET是一样快60伏硅MOSFET。看的另一种方法是如果你说600伏特的电压,你从场效应管和硅到igbt开关,我们会在电压高出10倍。所以你会使用一个MOSFET在6000伏碳化硅之前你必须切换到一个IGBT。高电击穿,我们从这个宽禁带允许我们使用的设备类型,您想要使用硅,但你不能因为太电阻使其实用性。所以你可以让设备在硅碳化硅,你真正想要的,但由于硅的物理不是实际的电压范围。

SE:碳化硅年龄一样的硅由于更高的电压?

Palmour:这是一样的。电压不重要。这是电场,不管电压相同。碳化硅是非常坚固,它没有任何不同于其他半导体时代。

SE:会有规模经济作为碳化硅被用在更多的地方?

Palmour:是的。这将是一个更比摩尔定律渐近,因为热的考虑,但我们绝对是在降低成本曲线。从2017年到2024年,我们预计体积增加30倍。这将产生影响。

SE:任何约束,可能会扰乱增加体积的?

Palmour:碳化硅砂和煤炭。硅和碳是地球上两个最丰富的元素。它不像磷化铟或铪。我更担心电池电动汽车能否获得足够的锂,以及是否有足够的稀土永磁电机。我们可以使半导体。

SE:我们现在看到更多关注多个芯片放到包中。这些类型的包SiC表现如何?甚至一定会在同一个包吗?

Palmour:在碳化硅电力设备方面,我们有三条生产线。一个是离散的动力设备。这是一个MOSFET在- - - - - - 247,或者一个二极管- - - - - - 220包——只是一个典型的标准离散方案。然后我们芯片卖给其他公司,要做自己的包,但总的来说这些模块制造商。然后我们有我们自己的模块。模块包含多个并行碳化硅MOSFET芯片,来获得更多的力量,在一个非常简单的电路。在最常见的情况下,这是其他相同的碳化硅芯片的电源模块。假设你有一个100 - amp芯片,但你需要一个电源模块和一个h桥配置给你600安培。所以你把六100 - amp设备一方面,6 100 - amp h桥设备另给你,然后也许一些电容器或一些电阻。这是在今天的市场。大问题,我们所做的很多工作,很多人致力于汽车正在——如果你放弃我们的芯片到一个标准硅功率模块包中,你只能得到一半的性能的芯片给你,因为内置的电感。我会将它滴法拉利引擎到大众错误底盘。

SE:那听起来像是一个不匹配。

Palmour:我们和其他人正在研究如何优化模块充分利用碳化硅。我们必须建立一个法拉利底盘发动机,这就是在掌权的模块。至于是否会与其他芯片的工作包中,答案是肯定的。通常今天,司机和其他芯片构成这个电源模块是板上。通常是在一个单独的模块板放置在身旁,但也可能是在同一个模块。它被称为一个智能功率模块。但是你绝对可以在碳化硅做同样的事情。

SE:诸如噪音和漂移,在许多设计发展的问题?与碳化硅有什么不同吗?

Palmour这个问题:有两个部分。在氧化物的稳定性方面,有一些在碳化硅漂移。我们花了很多时间研究最小化。这不是一个问题,一旦你得到它。它真的是时间的操作。它将基本上转变前10或20小时,然后它会稳定。如果你把所有电器都关上它会再次发生,所以解决方案是尽可能最小。在噪音方面,我们不那么容易受到噪声和其他芯片。但由于碳化硅可以在如此高频率操作,可以在很高的dv / dt开关和di / dt,实际上我们制造噪音。你必须非常仔细地做你的电路设计你产生多少噪音降到最低。

SE:屏蔽有帮助吗?

Palmour:这真的不是屏蔽一样,让你的设计是正确的。在硅中,您可以把司机一英尺,管电缆,这没什么大不了的。在碳化硅你会有这么多电感环要像一个女妖。你必须把司机非常接近模块感应响和减少噪音降到最低。你需要保持这些电感最小。

SE:这头到大问题射频设计师今天处理,对吧?

Palmour:对,我们两个射频和权力。当你使用碳化硅,它是推动你向射频领域比很多人的权力是用来思考。射频是一个不同的世界。电容电阻,电阻成为电容器,一切都颠倒了。

SE:但原文如此被广泛用于射频世界,对吧?

Palmour:是的,射频是另我们业务的一部分。我们用碳化硅衬底。我们用来卖SiC mesfet(金属半导体场效应晶体管)的射频设备。甘为射频,99%的氮化镓射频设备上有做碳化硅衬底。

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