John Palmour, teknisk direktør hos Cree, talte med Semiconductor Engineering om siliciumcarbid, hvordan det kan sammenlignes med silicium, hvad der er anderledes fra et design- og emballeringssynspunkt, og hvor det anvendes. Følgende er uddrag af denne samtale.
SE: SiC er velkendt inden for effektelektronik og RF, men er den største fordel evnen til at køre enheder varmere end silicium, eller er det for at spare energi?
Palmour: Målet er at spare energi og reducere systemomkostningerne. Siliciumcarbid sparer OEM’erne penge.
SE: Lige på forhånd?
Palmour: Ja. Hvis man f.eks. siger: “Okay, jeg kan sætte siliciumcarbid ind, som er dyrere end en IGBT, men jeg kan spare tre gange så meget på batteriomkostningerne, så er det, hvad de gør”. Det bliver oftest brugt til at dække de indledende omkostninger.
SE: Men det er ikke nødvendigvis en besparelse på materiale i forholdet 1:1. Det handler mere om systemomkostningerne, ikke?
Palmour: Ja, absolut. Siliciumcarbid er dyrere end IGBT’er af silicium, og de steder, hvor vi får vores gevinster, er der, hvor de realiserer besparelserne på systemniveau. Det er næsten altid et system-salg.
SE: Har det bremset indførelsen af SiC?
Palmour: Man er nødt til at finde de applikationer, hvor man sparer penge på systemniveau. Men efterhånden som man gør det og begynder at levere mængder, falder prisen, og man begynder at åbne op for andre applikationer. Tidligere var den begrænsende faktor de indledende omkostninger, men folk er begyndt at se meget mere på systemomkostningerne, og de indser, at de indledende omkostninger ud fra det perspektiv er bedre med siliciumcarbid.
SE: Hvad med tilgængeligheden af SiC i forhold til silicium?
Palmour: Hvis du er en OEM for biler, bekymrer du dig om kapaciteten, fordi virkningen af disse bilkonstruktioner vil være at drive markedet til at blive meget større, end det er i dag. Forsyningssikkerhed er en bekymring. Det er derfor, at Cree har annonceret adskillige waferleveringsaftaler med andre virksomheder, der fremstiller siliciumcarbidkomponenter. Vi har lavet en meddelelse med Delphi, hvor vi sælger chips til Delphi, og de sælger en inverter til en europæisk OEM. Disse ting bliver undersøgt, og man er nødt til at fastlåse forsyningen. I forbindelse med disse langsigtede indkøbsaftaler skal vi vide, at der vil være en efterspørgsel, før vi investerer en masse kapital i kapacitet. Vi meddelte sidste år, at vi vil investere 1 mia. USD i anlægsinvesteringer for at øge vores kapacitet betydeligt for at imødekomme dette behov. Det er nødvendigt, og det er blot en begyndelse. Hvis man laver en beregning af batteri-elektriske køretøjers indtrængning i det samlede køretøjsmarked, er dette kun begyndelsen.
SE: Er alt dette 200 mm, eller er det ældre teknologi?
Palmour: Hovedparten af al produktion i dag er på 150 mm 6-tommer wafers. Der er stadig en del på 4-tommer. Vi er ved at bygge en ny fabrik i New York, som vil være 200 mm-kompatibel, men vi laver ikke 200 mm i dag og forventer ikke at være klar til det før om flere år. Når 8-tommer er klar, kan vi tænde for det. Udstyret vil alt sammen være 200 mm, så vi hurtigt kan flytte det over til 8 tommer, når tiden er inde til det. Der er ingen 8-tommer i produktion i dag.
SE: Er processen radikalt anderledes end ved fremstilling af siliciumchips? Benyttes der de samme værktøjer, som du normalt ville bruge?
Palmour: Hvis du taler om materialevækst, er det anderledes. Krystalvækst er radikalt anderledes. Wafering, polering og epitaxi er alle helt forskellige. Men når man først kommer ind i fabrikken, er det ret standardiseret udstyr med undtagelse af to eller tre processer, som er stærkt skræddersyet til siliciumcarbid. De grundlæggende fabriksprocesser er meget siliciumlignende, og hovedparten af renrumsudstyret er typisk siliciumudstyr.
SE: Hvad med test- og inspektionssiden?
Palmour:
SE: Fordi SiC køres ved højere temperaturer, er defekthed så mere et problem?
Palmour: Det er ikke muligt at køre ved meget høje temperaturer med silicium, fordi det i sig selv begynder at lede. Det holder virkelig op med at være en halvleder omkring 175 °C, og ved 200 °C bliver det en leder. For siliciumcarbid er denne temperatur meget højere – ca. 1.000 °C – så det kan fungere ved meget højere temperaturer. Men vi sigter ikke mod meget højere temperaturer end silicium på grund af emballagen. Jo højere temperatur du vurderer din pakke ved, jo større er delta T mellem lavtemperatur og højtemperatur, og jo hurtigere kan din pakke nedbrydes. Vi går ikke efter radikalt højere temperaturer. Og fordi vi er effektive, bliver vi faktisk ikke så varme på kvadratcentimeterbasis. Vores chips er typisk omkring 175 °C, hvilket ikke er så meget højere end silicium.
SE: Det placerer SiC i ASIL D-kategorien til bilindustrien eller industrielle applikationer, ikke sandt?
Palmour: Ja, absolut.
SE: Hvad er anderledes på fysikniveau?
Palmour: Det er dybest set definitionen på, hvor meget energi det kræver at rive en elektron ud af bindingen mellem to siliciumatomer. Det kræver altså 1,1 elektronvolt at rive en elektron ud af denne binding. Siliciumcarbid har et båndgab på 3,2 elektronvolt, og det kræver altså tre gange så meget energi. Men det er faktisk en eksponentiel funktion. Mange af egenskaberne ved halvlederes båndgab ligger faktisk oppe i eksponenten. Vi har tre gange større båndgab, men når det gælder elektrisk nedbrydning, har vi faktisk et 10 gange højere elektrisk nedbrydningsfelt.
SE: Hvad betyder det i forhold til virkelige anvendelser?
Palmour: Det betyder, at hvis man laver nøjagtig den samme struktur i silicium og siliciumcarbid – samme epi-tykkelse, samme dopingniveau – vil siliciumcarbid-versionen blokere 10 gange mere spænding end silicium-versionen. Man kan lave en MOSFET i silicium, og man kan lave en MOSFET i siliciumcarbid. MOSFET’er i silicium er meget almindelige i lavspændingsområdet, fra 10 volt og op til ca. 300 volt. Over 300 volt bliver modstanden i en MOSFET i silicium meget meget høj, og det gør MOSFET’en uinteressant. Den er for dyr. Så de skifter over til en bipolær enhed. En MOSFET er en unipolær enhed, hvilket betyder, at der ikke er nogen minoritetsbærere. Der er kun elektroner, der flyder i enheden. Og når det er en unipolær enhed, kan den skifte meget, meget hurtigt. Hvis man ser på en 60-volts MOSFET, skifter den meget hurtigt, og det er derfor, at man kan lave gigahertz-processorer i silicium. Det er MOSFET’er med meget lav spænding – måske 5 volt. Men når man kommer op i højere spænding, er man nødt til at gå over til en bipolar enhed, hvilket betyder, at både elektroner og elektronhuller strømmer ind i enheden på samme tid. Og hver gang der skiftes, skal alle disse elektroner og huller spredes, idet de rekombineres og genererer energi. Med den bipolære enhed får man en meget lavere modstand og en meget mindre og billigere chip, men man skal aflede den overskydende varme, hver gang man skifter. Det er den afvejning, du foretager. Man kan lave en strømafbryder til en overkommelig pris, men den er ikke særlig effektiv.
Figur 1: SiC MOSFET. Kilde: FIG: Cree
SE: Hvad med SiC?
Palmour: Siliciumcarbid har et 10 gange højere nedbrydningsfelt. Vores 600-volts MOSFET vil være lige så hurtig som en 60-volts silicium-MOSFET. Den anden måde at se på det på er, at hvis man siger, at 600 volt er den spænding, hvor man skifter fra MOSFET’er og silicium over til IGBT’er, så vil vi være ved 10 gange højere spænding. Så man ville bruge en MOSFET i siliciumcarbid op til 6.000 volt, før man skulle skifte til en IGBT. Det høje elektriske nedbrydningsfelt, som vi får fra dette brede båndgab, gør det muligt for os at bruge den enhedstype, som man gerne ville bruge i silicium, men som man ikke kan bruge, fordi den er for resistiv til at gøre den praktisk anvendelig. Så man kan lave den enhed i siliciumcarbid, som man egentlig gerne ville have lavet i silicium, men på grund af fysikken i silicium er den ikke praktisk anvendelig i det spændingsområde.
SE: Ædres siliciumcarbid på samme måde som silicium på grund af den højere spænding?
Palmour: Det er det samme. Spændingen er ligegyldig. Det er det elektriske felt, som er det samme uanset spændingen. Siliciumcarbid er meget robust, og det ældes ikke anderledes end andre halvledere.
SE: Vil der være stordriftsfordele, efterhånden som SiC bliver brugt flere steder?
Palmour: Ja. Det vil være lidt mere asymptotisk end Moores lov på grund af de termiske overvejelser, men vi er helt klart tidligt på den nedadgående kurve med hensyn til omkostninger. Fra 2017 til 2024 forventer vi, at volumen vil stige med 30 gange. Det vil have en indvirkning.
SE: Er der nogen begrænsninger, der kan forstyrre denne stigning i volumen?
Palmour: Siliciumcarbid er sand og kul. Silicium og kulstof er to af de mest hyppige grundstoffer på jorden. Det er ikke som indiumphosphid eller hafnium. Jeg er mere bekymret for, om elektriske batterikøretøjer kan få nok lithium, og om der er nok sjældne jordarter til at lave permanentmagnetmotorerne. Vi kan lave halvlederne.
SE: Vi ser nu, at der er meget mere fokus på flere chips i en pakke. Hvordan opfører SiC sig i den slags pakker? Ville det nødvendigvis endda være i den samme pakke?
Palmour: Med hensyn til strømforsyningsenheder af siliciumcarbid har vi tre produktlinjer. Den ene er diskrete strømforsyningsenheder. Så det er en enkelt MOSFET i en TO-247-pakning eller en diode i en TO-220-pakning – bare en typisk standard diskret pakke. Og så sælger vi chips til andre virksomheder, som vil lave deres egne pakninger, men i det store og hele er det modulproducenter. Og så har vi vores egne moduler. Et modul omfatter flere siliciumcarbid-MOSFET-chips parallelt for at få mere effekt i et meget enkelt kredsløb. I de mest almindelige tilfælde er det andre identiske siliciumcarbidchips i dette powermodul. Lad os sige, at du har en chip med 100 ampere, men du har brug for et powermodul og en H-bro-konfiguration, der giver dig 600 ampere. Så du sætter seks enheder med 100 ampere på den ene side, seks enheder med 100 ampere på den anden side for at få H-broen, og så er der måske nogle kondensatorer eller nogle modstande. Det findes på markedet i dag. Det store problem – og det, som vi arbejder meget på, og som mange af dem, der arbejder på bilindustrien, arbejder på – er, at hvis man sætter vores chips ind i en standard silikonestrømforsyningsmodulpakke, vil man kun få omkring halvdelen af den ydelse, som chipsene kan give, på grund af de indbyggede induktiviteter. Jeg ville sammenligne det med at smide en Ferrari-motor ind i et VW-bug-chassis.
SE: Det lyder som et mismatch.
Palmour: Det, vi og andre arbejder på, er, hvordan vi kan optimere dette modul for at udnytte siliciumcarbid fuldt ud. Vi er nødt til at bygge et Ferrari-chassis til den motor, og det er det, der arbejdes på i kraftmoduler. Hvad angår spørgsmålet om, hvorvidt det ville fungere sammen med andre chips i en pakke, er svaret ja. Typisk i dag sidder driverne og de andre chips, der udgør dette powermodul, på et printkort. Normalt er det på et separat kort, der er placeret lige ved siden af modulet, men det kan også være i det samme modul. Det kaldes et intelligent strømforsyningsmodul. Men man kan helt sikkert gøre det samme i siliciumcarbid.
SE: Hvad med ting som støj og drift, som er voksende problemer i mange konstruktioner? Er det anderledes med SiC?
Palmour: Der er to dele til det spørgsmål. Med hensyn til oxidernes stabilitet er der en vis drift i siliciumcarbid. Vi bruger meget tid på at arbejde på at minimere det. Det er ikke noget problem, når man først får det rigtigt. Det er egentlig mest et spørgsmål om driftstiden. Det vil grundlæggende skifte i de første 10-20 timer, og derefter vil det stabilisere sig. Og hvis man slukkede for det hele, ville det ske igen, så løsningen er at gøre det så minimalt som muligt. Med hensyn til støj er vi ikke så modtagelige over for støj som andre chips. Men fordi siliciumcarbid kan drives ved så høje frekvenser og kan skifte ved virkelig høje dv/dt og di/dt, skaber vi faktisk støj. Man er nødt til at lave sit kredsløbsdesign meget omhyggeligt for at minimere, hvor meget støj man genererer.
SE: Hjælper afskærmning?
Palmour: Det er i virkeligheden ikke så meget afskærmning, som det er at få designet rigtigt. I silicium kan du placere driveren en meter væk og føre et kabel, og det er ikke noget stort problem. I siliciumcarbid ville du have så meget induktans, at det ville ringe som en banshee. Man er nødt til at placere driveren meget tæt på modulet for at minimere denne induktive ringning og reducere støjen. Man er nødt til at holde disse induktanser minimale.
SE: Så det er altså det store problem, som RF-designere står over for i dag, ikke sandt?
Palmour: Ja, og vi laver både RF og power. Når du bruger siliciumcarbid, skubber det dig mere i retning af RF-området, end mange mennesker inden for strømforsyning er vant til at tænke. RF er en anden verden. Kondensatorer bliver til modstande, modstande bliver til kondensatorer, og alt bliver vendt på hovedet.
SE: Men SiC er blevet brugt i stor udstrækning i RF-verdenen, ikke sandt?
Palmour: Ja, og RF er den anden del af vores forretning. Der bruger vi SiC som et substrat. Vi plejede at sælge SiC-MESFET’er (metalhalvleder-FET’er) til RF-enheder. For Gan RF er 99 % af Gan RF-enhederne derude lavet på et substrat af siliciumcarbid.
Relaterede materialer
Siliciumcarbid Knowledge Center
Tophistorier, specialrapporter og meget mere om SiC
SiC Foundry Business Emerges
Vil en fabless-tilgang fungere på markedet for power semi?
MOCVD-leverandører øjner nye applikationer
VCSEL’er, mini/microLED’er, strøm- og RF-enheder peger på endnu et boom for denne teknologi.
GaN versus silicium til 5G
Silicium vinder stadig i sub-6 GHz, men derefter ser GaN stadig mere attraktivt ud.