超越汽車之外 SiC電力電子放眼新應用

作者 : Peter Gammon、Arne Benjamin Renz和Guy Baker,英國華威大學

電動車的興盛繁榮正是啟動SiC產業、鼓勵市場競爭以及以更低價格和更大規模實現更高品質的材料所需之催化劑。同時,這也是擴大SiC電壓範圍,使其贏得650V和1,200V市佔率之後的第二要務...

毫無疑問地,所謂的第三代寬能隙半導體——碳化矽(SiC),正在發揮其眾所周知的潛力,過去五年來,汽車產業一直是該材料的公開試驗場。基於SiC的動力傳動系統逆變器——將來自電池側的直流電(DC)轉換為馬達側所需的交流電(AC)功率轉換器——比基於矽(Si) IGBT的原型產品更小、更輕也更高效。

然而,電氣化議程並不會都以汽車作為開始和終點。更廣泛的交通運輸應用將很快出現,包括卡車和公共汽車、船舶和航運以及火車的進一步電氣化,甚至飛機。在供電方面,併網太陽能發電系統和透過高壓直流(HVDC)鏈路傳輸能源,對於低碳能源的生產和分配也至關重要。

這些應用的一個共同主題是更高系統電壓的潛在作用,因而需要使用更高電壓的功率元件。在電動車中,從400V轉變為800V的好處主要在於實現更快的充電速率。在太陽能逆變器中,從1,000V系統到1,500V系統的持續轉變,正在減少太陽光電(PV)元件串、逆變器、電纜和DC接線盒的數量,所有這些都可以提高效率並節省成本。在標稱電壓為數百千伏(kV)的百萬瓩(GW) HVDC裝置中,較高的單個元件額定值可減少多級堆疊中所需的元件數量,從而減少維護和整體系統尺寸。

SiC功率元件可望成為這些領域的關鍵推動力。然而,當今市場上可用的SiC元件範圍非常窄,從650V到1,200V,只有少數1,700V元件可用;雖然3,300V在技術上看起來觸手可及,但只有SiC供應商GeneSiC提供此一電壓級的元件。

當然,業界僅對汽車這一高利潤市場產生關注是可以理解的。這場爭奪該產業市佔率的競賽,促使各家公司努力提高產能、採用200mm晶圓並提高產量,從而也為打開高壓市場這類相對較小的市場投入所需的大量研發活動。

Current Si and SiC device landscape.

1:當前的SiSiC元件格局,以及對SiC未來潛在市場的預測。

值得慶幸的是,研究部門一直在努力工作,也已經設計、製造和試用了許多更高電壓的SiC技術展示產品,有助於我們瞭解SiC超接面(SJ) MOSFET、IGBT和閘流體對這些高壓應用的可能影響。

電壓上升,而不是下降?

650V仍將是SiC MOSFET的底線,這是一個相當安全的預測。2的單極元件極限圖描繪了當今的商用SiC元件,並繪製其電阻與阻斷電壓的關係,這也揭示了該技術的局限性。隨著電壓阻斷漂移區在650V時的厚度減小到僅5µm,元件的電阻已減小到使來自SiC通道區域和基板之固定電阻佔主導地位的程度,從而避免進一步的尺寸縮小。儘管在未來幾代中改進650V MOSFET似乎有相當大的餘地,但很難將這些固定電阻降低到足以支持商用300V SiC MOSFET的程度。

在這些低電壓下,沒有通道的元件(如Qorvo/UnitedSiC的級聯型JFET)具有RDS(on)優勢:晶圓削薄一些,可以實現電阻非常低的SiC FET。實際上,考慮到使用工業相容方法可以進一步提高SiC通道遷移率的實際限制,SiC JFET可能是唯一可以實現低於600V額定電壓的元件。

Current 650- and 1,200-V SiC device landscape.

2:繪製在單極元件極限圖上的650V1,200V SiC元件現況。

擴增單極SiC MOSFET的電壓級

2中顯示當前SiC技術限制的點劃線所暗示的是,雖然SiC在650V和1,200V時是一種很好的技術,但也有可能在更高的電壓下變得更好。隨著將漂移區厚度放大到30µm以支援額定電壓為3.3kV的元件,其電阻超過了基板和通道的電阻,從而使元件更接近技術極限。因此,在未來,符合當今SiC元件品質的高壓SiC MOSFET,在高達10kV的電壓下將比現有的Si技術具有更大的優勢。

從技術方面來看,幾乎沒有什麼能阻止SiC MOSFET技術的微縮。3.3kV元件在學術文獻中已經相當成熟,並且已經存在製造高達約10kV優質磊晶層所需的技術。

然而,正如使用英國業者PGC Consultancy的SiC裸晶成本模型所建模的,在這些更高的電壓下,SiC裸晶的經濟規模會發生變化。首先,所需的電壓越高,支援它的漂移區就必須越寬,因此磊晶成本就越高。其影響如3所示,由圖中可知,對於60µm、6.5kV的元件,其磊晶成本將會超過基板,成為其最大製程成本。

The projected costs of a SiC MOSFET as they are scaled to 15 kV.

3:將SiC MOSFET擴展到15kV時的預計成本(不包括分選/鑒定後的裸晶良率;磊晶良率以100A裸晶和0.2個缺陷/cm2建模)

雖然多晶圓磊晶工具的創新可能降低這一成本,但是由厚漂移區電阻引起的第二個成本問題是不可避免的。電壓等級每提高一級,都需要漂移區比以前的等級更厚且摻雜更低。隨著電壓倍增,電阻將增加大約5.5倍。為了抵消這一點,並保持特定的電流/電阻額定值(3中的100A裸晶),就必須按比例增加裸晶尺寸。然而,增加裸晶尺寸會對良率產生複合效應,從而影響成本。每個晶圓生產的裸晶數量將會減少,而由磊晶缺陷報廢的比例則要高得多——即使可以保持低缺陷密度(3中為0.2個缺陷/cm2)。

這些影響的結果如3所示,體現在更高電壓下不斷上升的磊晶良率成本,以及飛漲的裸晶成本(15kV時達到650V裸晶的75倍)。

因此,SiC MOSFET看起來是一種可實現最高可達6.5kV,甚至可達10kV的方案,但與這些元件相關的成本可能會阻礙更高電壓的實現。

雙極元件才是解決方案

當然,歷史會重演,降低漂移區電阻以及裸晶尺寸的關鍵是採用IGBT和閘流體等雙極解決方案,如4所示。相較於單極MOSFET,雙極元件的折衷方案要接受較慢的開關速度和較高的開關損耗,以此換取電導率調變的低電阻漂移區。對於任何需要10kV以上SiC元件的應用來說,這種權衡不太可能成為問題;以50/60Hz頻率作業的HVDC轉換器幾乎不需要快速、低損耗的開關。事實上,它們已經在使用Si IGBT和閘流體。

Cross-sections of the power devices.

4:本文所討論的功率元件之橫截面。

然而,這些元件與當今的SiC MOSFET相較還需要實現許多技術飛躍。第一個問題是傳統的N通道IGBT和P基閘流體都需要高度P型摻雜(P+)的集電區。由於在晶種昇華製程中將P摻雜劑鋁摻入基板中存在挑戰,因此無法得到P+基板。如上所述,目前SiC材料供應商幾乎沒有動力解決這個問題,因此不得不尋求其他解決方案。這通常涉及在N+基板上生長所有元件層,然後使用與削薄MOSFET基板相同的製程研磨掉原始晶圓。業界已使用這種技術展示了許多6.5kV、15kV和27.5kV電壓級的IGBT,以及7.6kV和20kV的閘流體。

第二個問題是SiC的載子壽命,必須要將這個值最大化,以便促進電導率調節。在Si製造領域,通常的問題是材料太過於純淨,以至於要導入缺陷來縮短其壽命,從而降低開關損耗。而在SiC中,情況正好相反。由於在磊晶製程中導入了稱為碳空穴的缺陷,因此載子壽命就非常短(1~2µs)。因此,在IGBT/閘流體製造之前,最廣泛的做法是使用壽命延長製程(長氧化製程)驅動碳進入漂移區,以此填充空穴,從而將該壽命延長至10~20µs。

假設這兩種製程都可以被大規模掌握和實施,那麼在SiC中實現高品質的雙極元件是可能的,這可以將特定電壓下的裸晶面積減少多達10倍。直到現在還沒有提到的是,PIN二極體可能是第一個也是最容易推向市場的高壓SiC元件,因為這種元件可以直接在N+基板上生產。

介於兩者之間?

SJ元件是降低SiC MOSFET電阻的另一種潛在方法,它是全單極MOSFET和IGBT之間的中間領域。然而,用於在Si中製造窄N型和P型柱的熟悉深注入製程在SiC中是不可能的,其高原子密度會導致非常淺的注入。因此,業界已發明了替代製造方法來創建所需的垂直PN柱,包括在SiC中蝕刻溝槽並用磊晶對其重新填充。另一種方法著眼於注入溝槽側壁。這些方法仍處於起步階段,仍有待克服技術挑戰,但它們證明了SiC SJ元件是可能的。

總結

相較於其他寬能隙材料,SiC的巨大優勢在於其基板是獨立的,而且具有天然的SiO2氧化物,這使其複製所有眾所周知的Si功率元件拓撲結構成為可能,並且能夠提高所有的電壓級。電動車的興盛繁榮正是啟動SiC產業、鼓勵市場競爭以及以更低價格和更大規模實現更高品質的材料所需之催化劑。同時,這也是擴大SiC電壓範圍,使其贏得650V和1,200V市佔率之後的第二要務。

另一方面,隨著時間的推移,SiC將會對電網、再生能源和交通運輸產業帶來影響。事實上,許多關於如何生產下一代SiC元件的解決方案已經十分明朗,落實更多的商業應用只是時間問題。

(參考原文:SiC Power Electronics: Looking Beyond Automotive,by Peter Gammon, Arne Benjamin Renz and Guy Baker)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年9月號雜誌

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