新型碳化硅基片提升功率器件解析

大家可能都听说过SiC，那么知道他在汽车上的作用吗?对电动汽车，电信和工业应用中技术的不断增长的需求促使Soitec和Applied Materials共同制定了用于功率器件的下一代碳化硅(SiC)基板的联合开发计划。该计划旨在提供技术和产品，以改善用于下一代电动汽车的SiC器件的性能和可用性。

“我们期待与Soitec紧密合作，为碳化硅技术创造材料工程创新，”应用材料新市场和联盟高级副总裁Steve Ghanayem说。

使用功率器件进行设计的OEM厂商当然希望获得他们能获得的最高效的产品，而使III-V半导体(包括SiC)代替硅时，可能会提高效率。SiC可以显着减少功率损耗，并可以提高功率密度、电压、温度和频率，同时减少散热。SiC还具有约3倍的禁带宽，并且在相同的击穿电压下，漂移区的距离可以减小到十分之一。

“高压SiC器件将快速切换和低损耗完美地结合在一起，为应用程序用户提供了前所未有的灵活性，可以选择中压和高压功率转换的拓扑。”Soitec复合业务部门总经理奥利维尔·博宁(Olivier Bonnin)说。

但是有一些因素阻碍了向碳化硅基片的快速过渡。

“需要更高质量的SiC材料来提高产量(降低缺陷密度)和可靠性。需要提高晶片的平面度以适应大批量铸造中的工艺并降低工艺成本。”电动汽车的未来将基于从半导体材料和基板层面开始的技术创新。过去一年中，对SiC基半导体材料的需求一直在增长。

Bonnin引用了Yole Developpement的统计数据，SiC功率器件市场将从今天的5.6亿美元增长到2024年的20亿美元，复合年增长率为28%。博宁说：“碳化硅很可能成为未来十年的首选材料。”应用材料公司技术开发计划的目标是，在Soitec专有的Smart Cut技术的基础上，在2020年下半年创建SiC工程衬底的样品。 Smart Cut技术目前用于制造绝缘体上硅(SOI)产品，该产品已被芯片制造商广泛采用。

Bonnin说：“ Soitec的技术旨在通过在特定的接收器上层转移最优质的SiC材料并多次回收SiC材料来解决这些挑战。”

“ Smart Cut是我们的晶圆键合和分层技术。本质上，这是一种将单个高质量SiC晶片变成多个高质量SiC晶片的方法。它是通过从高质量的供体衬底上去除非常薄的晶体材料层并将其粘合到成本/质量较低的晶圆上来实现的。这导致可以在其上构建半导体器件的具有高质量表面的多个晶片。我们相信，我们的Smart Cut技术适用于SiC，可以在基板和器件级别上显着改善质量，性能和成本(图1)。” Olivier说。

每个芯片的开关损耗和传导损耗将显着降低，但是在高功率密度的情况下，芯片面积将进一步减小，而功率密度将不得不应对有效的热管理。SiC功率二极管是最早进入市场的宽禁带(WBG)器件之一，已广泛渗透到特定领域，包括PV转换器和电机驱动器。这些器件可立即提高效率，提高电压并提高热性能。这种材料的固有性能带来了以下好处：SiC的室温导热率超过300W / mK。

“我们的技术将利用SiC材料的特性，并借助某些特定的层工程技术，将其优势推向新的器件挑战。” Bonnin说。温度系数和开关频率是电动汽车设计中的基本要素。与合作伙伴Si相比，其在高温下的稳定性以及在更高开关频率下的可操作性，使系统的尺寸和重量得以减小，因为组件以较低的外形尺寸取代了笨重的磁性组件。

电气方面的挑战将解决开关模式下的电流泄漏问题，该问题可能导致过电压和明显的振荡。由于用于控制功率模块附近电流的电路布局，可以避免这些问题。另一个问题与交流电和大地之间的电容耦合有关：这种耦合在产生大量电磁干扰时变得至关重要。同样，在这种情况下，电源模块的智能设计可以帮助减少这种影响。

成本显然是要考虑的因素：最大的挑战是SiC器件的广泛采用。电气特性说明了它们如何能够显着降低系统成本，但最重要的是真正提高了整体效率。 SiC器件将通过新的封装技术改变应用程序。以上就是SiC器件的相关解析，希望能给大家帮助。