John Palmour, technický ředitel společnosti Cree, se sešel se společností Semiconductor Engineering, aby pohovořil o karbidu křemíku, o jeho srovnání s křemíkem, o rozdílech z hlediska konstrukce a balení a o tom, kde se používá. Následují výňatky z tohoto rozhovoru.
SE: SiC je dobře známý v oblasti výkonové elektroniky a VF, ale je jeho hlavní výhodou možnost provozovat zařízení s vyšší teplotou než křemík, nebo jde o úsporu energie?
Palmour: SiC je dobře známý v oblasti výkonové elektroniky a VF, ale je jeho hlavní výhodou možnost provozovat zařízení s vyšší teplotou než křemík, nebo jde o úsporu energie? Cílem je úspora energie a snížení systémových nákladů. Karbid křemíku šetří peníze výrobcům OEM.
SE: Hned na začátku?
Palmour: Ano. Když například řeknete: „Dobře, mohu tam dát karbid křemíku, který je sice dražší než IGBT, ale mohu ušetřit třikrát tolik na nákladech na baterii, tak to udělají.“ To je to, co dělají. Častěji se používají pro počáteční náklady.
SE: Ale to nemusí nutně znamenat úsporu materiálu jedna ku jedné. Jde spíše o systémové náklady, že?
Palmour: Ano, rozhodně. Karbid křemíku je dražší než křemíkové IGBT a místa, kde vyhráváme, jsou tam, kde realizují úspory na úrovni systému. Téměř vždy jde o systémový prodej.
SE: Zpomalilo to zavádění SiC?
Palmour: Musíte najít aplikace, kde ušetříte na systémové úrovni. Ale jakmile se vám to podaří a začnete dodávat velké objemy, cena klesne a vy začnete otevírat další aplikace. V minulosti byly limitujícím faktorem počáteční náklady, ale lidé se začínají mnohem více zabývat systémovými náklady a uvědomují si, že počáteční náklady jsou z tohoto pohledu lepší u karbidu křemíku.
SE: Jak je to s dostupností SiC oproti křemíku?
Palmour: Jak je to s dostupností SiC? Pokud jste výrobcem OEM pro automobilový průmysl, děláte si starosti s kapacitou, protože dopad těchto automobilových návrhů bude mít za následek, že se trh stane mnohem větším, než je dnes. Zajištění dodávek je problém. Proto společnost Cree oznámila řadu dohod o dodávkách destiček s dalšími společnostmi, které vyrábějí zařízení z karbidu křemíku. Učinili jsme oznámení se společností Delphi, kdy prodáváme čipy společnosti Delphi a ta prodává měniče evropskému výrobci OEM. Tyto věci se zkoumají a je třeba si zajistit dodávky. U těchto dlouhodobých kupních smluv musíme vědět, že poptávka bude, než investujeme velký kapitál do kapacit. Loni jsme oznámili, že přidáme 1 miliardu dolarů na kapitálové výdaje, abychom výrazně zvýšili kapacitu a uspokojili tuto potřebu. Je to nutné a je to jen začátek. Když si projdete čísla o penetraci bateriových elektromobilů na celkovém trhu s vozidly, je to teprve začátek.
SE: Je to všechno 200mm, nebo je to starší technologie?“
Palmour: Většina veškeré výroby dnes probíhá na 150mm šestipalcových destičkách. Něco je ještě na 4palcových. Stavíme novou továrnu v New Yorku, která bude schopna vyrábět na 200 mm, ale dnes nevyrábíme na 200 mm a neočekáváme, že na to budeme připraveni dříve než za několik let. Až bude 8palcová výroba připravena, můžeme ji zapnout. Všechna zařízení budou 200mm, abychom je mohli rychle přesunout na 8palcovou výrobu, až nastane ten správný čas. V současné době se žádný 8palec nevyrábí.
SE: Je tento proces radikálně odlišný od výroby křemíkových čipů? Využívají se při něm stejné nástroje, které používáte běžně?
Palmour: Jaké nástroje používáte při výrobě čipů? Pokud mluvíte o růstu materiálů, je to jiné. Růst krystalů je radikálně odlišný. Obrábění destiček, leštění, epitaxe jsou zcela odlišné. Ale jakmile se dostanete do továrny, je to poměrně standardní vybavení s výjimkou dvou nebo tří procesů, které jsou silně přizpůsobeny karbidu křemíku. Základní výrobní procesy jsou velmi podobné křemíkovým a většina vybavení čistých prostor je typické křemíkové vybavení.
SE: A co testování a kontrola?
Palmour:
SE: Protože se SiC provozuje při vyšších teplotách, je defektnost větším problémem?
Palmour: Jaký je problém s defektností? Důvodem, proč křemík nemůže pracovat při velmi vysokých teplotách, je to, že ze své podstaty začíná vést. Kolem 175 °C skutečně přestává být polovodičem a při 200 °C se stává vodičem. U karbidu křemíku je tato teplota mnohem vyšší – asi 1 000 °C – takže může pracovat při mnohem vyšších teplotách. Ale my se nezaměřujeme na mnohem vyšší teploty než křemík kvůli balení. Čím vyšší je teplota, při které obal hodnotíte, tím větší je delta T mezi nízkou a vysokou teplotou a tím rychleji může obal degradovat. Nesnažíme se o radikálně vyšší teploty. A protože jsme efektivní, ve skutečnosti se v přepočtu na centimetr čtvereční tolik nezahříváme. Naše čipy se obvykle pohybují kolem 175 °C, což není o tolik vyšší teplota než u křemíku.
SE: To řadí SiC do kategorie ASIL D pro automobilové nebo průmyslové aplikace, že?
SE: Co se liší na fyzikální úrovni?
Palmour: Ano, rozhodně: To je v podstatě definice toho, kolik energie je potřeba k vytržení elektronu z vazby mezi dvěma atomy křemíku. Takže k vytržení elektronu z vazby je potřeba 1,1 elektronvoltu. Karbid křemíku má pásmovou mezeru 3,2 elektronvoltu, takže potřebuje třikrát více energie. Ale ve skutečnosti je to exponenciální funkce. Mnoho charakteristik pásové mezery polovodičů je ve skutečnosti až v exponentu. Máme třikrát širší pásovou mezeru, ale pokud jde o elektrický průraz, máme ve skutečnosti desetkrát vyšší elektrické průrazné pole.
SE: Co to znamená z hlediska reálných aplikací? Znamená to, že pokud vyrobíte úplně stejnou strukturu z křemíku a karbidu křemíku – stejná tloušťka epi, stejná úroveň dopování – verze z karbidu křemíku bude blokovat 10krát větší napětí než verze z křemíku. Můžete vyrobit MOSFET z křemíku a můžete vyrobit MOSFET z karbidu křemíku. MOSFETy z křemíku jsou velmi rozšířené v oblasti nízkých napětí, od 10 voltů do přibližně 300 voltů. Nad 300 voltů se odpor křemíkového MOSFETu stává velmi vysokým a činí MOSFET neatraktivním. Je příliš drahý. Proto se přechází na bipolární zařízení. MOSFET je unipolární zařízení, což znamená, že v něm nejsou žádné minoritní nosiče. V zařízení proudí pouze elektrony. A když je to unipolární zařízení, může přepínat velmi, velmi rychle. Když se podíváte na 60voltový MOSFET, přepíná velmi rychle, a to je důvod, proč lze v křemíku vyrábět gigahertzové procesory. Jsou to MOSFETy s velmi nízkým napětím – možná 5 voltů. Ale když se dostanete na vyšší napětí, musíte přejít na bipolární zařízení, což znamená, že v zařízení proudí současně elektrony i díry. A při každém přepnutí musíte rozptýlit všechny tyto elektrony a díry, které rekombinují a vytvářejí energii. Bipolární zařízení poskytuje mnohem nižší odpor a mnohem menší a cenově dostupnější čip, ale při každém přepnutí musíte odvádět přebytečné teplo. To je kompromis, který děláte. Můžete vyrobit cenově dostupný výkonový spínač, ale není příliš účinný.
Obr. 1: SiC MOSFET. Zdroj: MOSFECT MOSFECT MOSFECT MOSFECT MOSFECT: Cree
SE: Co takhle s SiC?
Palmour: Karbid křemíku má desetkrát vyšší průrazné pole. Náš 600voltový MOSFET bude stejně rychlý jako 60voltový křemíkový MOSFET. Jiný způsob, jak se na to podívat, je, když řeknete, že 600 voltů je napětí, při kterém se přechází z MOSFETů a křemíku na IGBT, byli bychom na 10krát vyšším napětí. Takže byste použili MOSFET z karbidu křemíku až do 6 000 voltů, než byste museli přejít na IGBT. Vysoké elektrické průrazné pole, které získáme díky této široké pásové mezeře, nám umožňuje použít typ zařízení, které byste chtěli použít v křemíku, ale nemůžete, protože je příliš odporové, aby to bylo praktické. Takže v karbidu křemíku můžete vyrobit zařízení, které byste v křemíku opravdu chtěli, ale kvůli fyzice křemíku není v tomto rozsahu napětí praktické.
SE: Stárne karbid křemíku stejně jako křemík kvůli vyššímu napětí?
Palmour: Je to stejné. Na napětí nezáleží. Jde o elektrické pole, které je stejné bez ohledu na napětí. Karbid křemíku je velmi odolný a nestárne jinak než jakýkoli jiný polovodič.
SE: Dojde k úsporám z rozsahu, když se SiC začne používat na více místech?
Palmour: Ano. Bude to trochu asymptotičtější než Moorův zákon kvůli tepelným ohledům, ale rozhodně jsme na začátku křivky snižování nákladů. Od roku 2017 do roku 2024 očekáváme 30násobný nárůst objemu. To bude mít vliv.
SE: Nějaká omezení, která by mohla tento nárůst objemu narušit? Karbid křemíku je písek a uhlí. Křemík a uhlík jsou dva nejrozšířenější prvky na Zemi. Není to jako fosfid india nebo hafnia. Spíš se obávám, jestli se pro bateriová elektrická vozidla podaří získat dostatek lithia a jestli je dostatek vzácných zemin pro motory s permanentními magnety. Můžeme vyrábět polovodiče.
SE: Nyní vidíme mnohem větší pozornost zaměřenou na více čipů v jednom balení. Jak se SiC chová v těchto typech balení? Musel by být nutně i ve stejném obalu?
Palmour: Pokud jde o výkonová zařízení z karbidu křemíku, máme tři produktové řady. Jednou z nich jsou diskrétní výkonová zařízení. Jde tedy o jeden MOSFET v pouzdře TO-247 nebo diodu v pouzdře TO-220 – prostě typické standardní diskrétní pouzdro. A pak prodáváme čipy dalším společnostem, které si udělají vlastní balení, ale z velké části jsou to výrobci modulů. A pak máme vlastní moduly. Modul obsahuje několik paralelně zapojených čipů MOSFET z karbidu křemíku, abychom získali větší výkon, ve velmi jednoduchém zapojení. V nejběžnějších případech se jedná o další identické čipy z karbidu křemíku v tomto výkonovém modulu. Řekněme, že máte 100ampérový čip, ale potřebujete napájecí modul a konfiguraci H-můstku, která vám poskytne 600 ampérů. Takže na jednu stranu dáte šest 100ampérových zařízení, na druhou šest 100ampérových zařízení, abyste získali tento H-můstek, a pak možná nějaké kondenzátory nebo odpory. To je dnes na trhu. Velkým problémem – na kterém hodně pracujeme a na kterém pracuje mnoho lidí, kteří se zabývají automobilovým průmyslem – je, že kdybyste naše čipy umístili do standardního pouzdra křemíkového napájecího modulu, získali byste kvůli vestavěným indukčnostem jen asi polovinu výkonu, který by vám tyto čipy mohly poskytnout. Přirovnal bych to k vložení motoru Ferrari do podvozku VW Brouk.
SE: To zní jako nesoulad.
Palmour: To, na čem my a další pracujeme, je, jak ten modul optimalizovat, aby plně využíval výhod karbidu křemíku. Musíme pro ten motor postavit podvozek Ferrari, a právě na tom se pracuje v oblasti výkonových modulů. Pokud jde o to, zda by to fungovalo s jinými čipy v balíčku, odpověď zní ano. Typicky jsou dnes ovladače a další čipy, které tvoří tento výkonový modul, na desce. Obvykle jsou na samostatné desce umístěné hned vedle tohoto modulu, ale mohou být i ve stejném modulu. Říká se tomu inteligentní napájecí modul. Ale určitě můžete udělat totéž v karbidu křemíku.
SE: A co věci jako šum a drift, které jsou v mnoha konstrukcích stále větším problémem? Liší se to nějak u SiCu?
Palmour: V této otázce jsou dvě části. Pokud jde o stabilitu oxidů, u karbidu křemíku dochází k určitému driftu. Strávili jsme hodně času prací na jeho minimalizaci. Jakmile se to podaří, není to problém. Jde hlavně o dobu provozu. V podstatě dojde k posunu během prvních 10 nebo 20 hodin a pak se to stabilizuje. A kdybyste všechno vypnuli, stalo by se to znovu, takže řešením je, aby to bylo co nejmenší. Co se týče šumu, nejsme na něj tak náchylní jako jiné čipy. Ale protože karbid křemíku může pracovat při tak vysokých frekvencích a může spínat při opravdu vysokých hodnotách dv/dt a di/dt, tak vlastně vytváříme šum. Musíte velmi pečlivě navrhovat obvody, abyste minimalizovali množství generovaného šumu.
SE: Pomáhá stínění?
Palmour: Ve skutečnosti nejde ani tak o stínění, jako o správný návrh. V křemíku bys mohl dát ovladač metr daleko a potrubím protáhnout kabel a nic se neděje. V karbidu křemíku bys měl tak velkou indukčnost, že by to zvonilo jako banshee. Abyste toto indukční zvonění minimalizovali a snížili šum, musíte ovladač umístit velmi blízko modulu. Musíte udržet tyto indukčnosti na minimu.
SE: Takže to směřuje k velkému problému, se kterým se dnes RF konstruktéři potýkají, že ano?
Palmour: Správně, a my děláme jak VF, tak výkonové. Když používáte karbid křemíku, posouvá vás to více do RF oblasti, než je spousta lidí ve výkonové oblasti zvyklá uvažovat. RF je jiný svět. Z kondenzátorů se stávají rezistory, z rezistorů kondenzátory a všechno se obrací vzhůru nohama.
SE: Ale SiC se v RF světě používá ve velké míře, že? Ano, a RF je druhou částí našeho podnikání. Tam používáme SiC jako substrát. Dříve jsme prodávali SiC MESFET (metal-semiconductor FET) pro RF zařízení. Pro Gan RF se 99 % RF zařízení Gan vyrábí na substrátu z karbidu křemíku.
Související materiály
Znalostní centrum karbidu křemíku
Hlavní články, speciální zprávy a další informace o SiC
Vzniká slévárna SiC
Bude bezvýrobní přístup fungovat na trhu výkonových polovodičů?
MOCVD Vendors Eye New Apps
VCSEL, mini/microLED, výkonová a RF zařízení ukazují na další boom této technologie.
GaN versus křemík pro 5G
Křemík stále vítězí v pásmu pod 6 GHz, ale poté se GaN zdá být stále atraktivnější.