Die Vor- und Nachteile von Siliziumkarbid

John Palmour, CTO bei Cree, sprach mit Semiconductor Engineering über Siliziumkarbid, wie es sich von Silizium unterscheidet, welche Unterschiede es in Bezug auf Design und Packaging gibt und wo es eingesetzt wird. Im Folgenden finden Sie Auszüge aus diesem Gespräch.

SE: SiC ist in der Leistungselektronik und in der Hochfrequenztechnik wohlbekannt, aber liegt der Hauptvorteil darin, dass die Geräte heißer als Silizium betrieben werden können, oder liegt er darin, Energie zu sparen?

Palmour: Das Ziel ist es, Energie zu sparen und die Systemkosten zu senken. Siliziumkarbid spart dem OEM Geld.

SE: Ganz vorn?

Palmour: Ja. Wenn man zum Beispiel sagt: ‚Okay, ich kann Siliziumkarbid einsetzen, das zwar teurer ist als ein IGBT, aber ich kann das Dreifache der Batteriekosten einsparen‘, dann tun sie das. Meistens werden sie für die Vorlaufkosten verwendet.

SE: Aber das ist nicht unbedingt eine Eins-zu-eins-Einsparung bei den Materialien. Es geht eher um die Systemkosten, richtig?

Palmour: Ja, absolut. Siliziumkarbid ist teurer als Silizium-IGBTs, und wir gewinnen dort, wo sie die Einsparungen auf Systemebene realisieren. Es ist fast immer ein Systemverkauf.

SE: Hat das die Einführung von SiC verlangsamt?

Palmour: Man muss die Anwendungen finden, bei denen man auf der Systemebene Geld spart. Aber wenn man das tut und anfängt, Volumen zu liefern, sinkt der Preis und man beginnt, andere Anwendungen zu erschließen. In der Vergangenheit waren die Anschaffungskosten der begrenzende Faktor, aber die Leute fangen an, die Systemkosten stärker zu berücksichtigen, und sie erkennen, dass die Anschaffungskosten aus dieser Perspektive bei Siliziumkarbid besser sind.

SE: Wie sieht es mit der Verfügbarkeit von SiC gegenüber Silizium aus?

Palmour: Wenn Sie ein Automobil-OEM sind, machen Sie sich Sorgen über die Kapazität, weil die Auswirkungen dieser Automobil-Designs den Markt viel größer machen werden als er heute ist. Die Sicherstellung der Versorgung ist ein Problem. Aus diesem Grund hat Cree zahlreiche Vereinbarungen über die Lieferung von Wafern mit anderen Unternehmen, die Siliziumkarbid-Bauelemente herstellen, angekündigt. Wir haben eine Vereinbarung mit Delphi getroffen, bei der wir Chips an Delphi verkaufen und sie einen Wechselrichter an einen europäischen OEM verkaufen. Diese Dinge werden nun geprüft, und man muss die Versorgung sicherstellen. Bei diesen langfristigen Kaufverträgen müssen wir wissen, dass die Nachfrage da sein wird, bevor wir viel Kapital für Kapazitäten investieren. Letztes Jahr haben wir angekündigt, dass wir 1 Milliarde Dollar an Investitionen tätigen werden, um unsere Kapazität erheblich zu erhöhen, um diesen Bedarf zu decken. Das ist notwendig, und es ist nur ein Anfang. Wenn man sich die Durchdringung des gesamten Fahrzeugmarktes mit batterieelektrischen Fahrzeugen vor Augen führt, stehen wir erst am Anfang.

SE: Handelt es sich dabei um 200-mm-Batterien oder um ältere Technologien?

Palmour: Der Großteil der Produktion erfolgt heute auf 150mm 6-Zoll-Wafern. Es gibt auch noch einige 4-Zoll-Wafer. Wir bauen in New York eine neue Fabrik, die 200 mm fähig sein wird, aber wir produzieren heute noch keine 200 mm und erwarten, dass wir erst in einigen Jahren dazu bereit sein werden. Wenn die 8-Zoll-Fertigung fertig ist, können wir sie in Betrieb nehmen. Die Geräte werden alle 200 mm sein, so dass wir sie schnell auf 8 Zoll umstellen können, wenn die Zeit reif ist. Heute gibt es keine 8-Zoll-Produktion.

SE: Unterscheidet sich der Prozess grundlegend von der Herstellung von Siliziumchips? Werden die gleichen Werkzeuge verwendet, die Sie normalerweise einsetzen?

Palmour: Wenn es um das Wachstum von Materialien geht, ist es anders. Die Kristallzüchtung ist völlig anders. Wafering, Polieren, Epitaxie – das ist alles ganz anders. Aber wenn man erst einmal in der Fabrik ist, ist die Ausrüstung ziemlich standardmäßig, mit Ausnahme von zwei oder drei Prozessen, die stark auf Siliziumkarbid zugeschnitten sind. Die grundlegenden Fertigungsprozesse sind sehr siliziumähnlich, und der Großteil der Reinraumausrüstung ist typische Siliziumausrüstung.

SE: Wie sieht es mit der Test- und Prüfseite aus?

Palmour: Diese sind denen von Silizium sehr ähnlich.

SE: Da SiC bei höheren Temperaturen betrieben wird, ist die Defektanfälligkeit ein größeres Problem?

Palmour: Der Grund, warum Silizium nicht für sehr hohe Temperaturen geeignet ist, liegt darin, dass es von Natur aus zu leiten beginnt. Bei 175 °C hört es auf, ein Halbleiter zu sein, und bei 200 °C wird es zum Leiter. Bei Siliziumkarbid ist diese Temperatur viel höher – etwa 1.000 °C -, so dass es bei viel höheren Temperaturen arbeiten kann. Aber wir streben wegen der Verpackung keine viel höheren Temperaturen als bei Silizium an. Je höher die Temperatur ist, bei der Sie Ihr Gehäuse bewerten, desto größer ist das Delta T zwischen niedriger und hoher Temperatur und desto schneller kann sich Ihr Gehäuse abbauen. Wir streben keine radikal höheren Temperaturen an. Und weil wir effizient sind, werden wir pro Quadratzentimeter auch nicht so heiß. Unsere Chips werden typischerweise etwa 175°C heiß, was nicht viel höher ist als Silizium.

SE: Damit fällt SiC in die Kategorie ASIL D für Automobil- oder Industrieanwendungen, richtig?

Palmour: Ja, absolut.

SE: Was ist der Unterschied auf physikalischer Ebene?

Palmour: Silizium hat eine Bandlücke von 1,1 Elektronenvolt, und das ist im Grunde die Definition dafür, wie viel Energie es braucht, um ein Elektron aus der Bindung zwischen zwei Siliziumatomen herauszureißen. Es braucht also 1,1 Elektronenvolt, um ein Elektron aus der Bindung zu reißen. Siliziumkarbid hat eine Bandlücke von 3,2 Elektronenvolt und benötigt daher dreimal mehr Energie. Aber eigentlich ist es eine Exponentialfunktion. Viele der Eigenschaften der Bandlücke von Halbleitern liegen in der Tat im Exponenten. Wir haben eine dreimal größere Bandlücke, aber wenn es um den elektrischen Durchbruch geht, haben wir ein zehnmal höheres elektrisches Durchbruchsfeld.

SE: Was bedeutet das in Bezug auf praktische Anwendungen?

Palmour: Es bedeutet, dass, wenn man die exakt gleiche Struktur in Silizium und Siliziumkarbid herstellt – die gleiche Epi-Dicke, das gleiche Dotierungsniveau – die Siliziumkarbid-Version 10-mal mehr Spannung blockiert als die Silizium-Version. Man kann einen MOSFET in Silizium und einen MOSFET in Siliziumkarbid herstellen. MOSFETs aus Silizium sind im Niederspannungsbereich von 10 Volt bis etwa 300 Volt sehr verbreitet. Oberhalb von 300 Volt wird der Widerstand eines Silizium-MOSFETs sehr hoch und macht den MOSFET unattraktiv. Er ist zu teuer. Also geht man zu einem bipolaren Bauelement über. Ein MOSFET ist ein unipolares Bauelement, das heißt, es gibt keine Minoritätsträger. Es fließen nur Elektronen in dem Bauelement. Und als unipolares Bauelement kann es sehr, sehr schnell schalten. Ein 60-Volt-MOSFET schaltet sehr schnell, und das ist der Grund, warum man Gigahertz-Prozessoren in Silizium herstellen kann. Es handelt sich um MOSFETs mit sehr niedriger Spannung – vielleicht 5 Volt. Aber wenn man die Spannung erhöht, muss man zu einem bipolaren Bauelement übergehen, was bedeutet, dass sowohl Elektronen als auch Elektronenlöcher gleichzeitig in dem Bauelement fließen. Und jedes Mal, wenn man umschaltet, muss man all diese Elektronen und Löcher ableiten, die sich wieder verbinden und Energie erzeugen. Das bipolare Bauelement bietet einen viel geringeren Widerstand und einen viel kleineren, preiswerteren Chip, aber man muss die überschüssige Wärme bei jedem Umschalten abführen. Das ist der Kompromiss, den Sie eingehen. Man kann einen erschwinglichen Leistungsschalter herstellen, aber er ist nicht sehr effizient.


Abbildung 1: SiC MOSFET. Quelle: Cree

SE: Wie wäre es mit SiC?

Palmour: Siliziumkarbid hat ein 10-mal höheres Durchbruchsfeld. Unser 600-Volt-MOSFET wird genauso schnell sein wie ein 60-Volt-Silizium-MOSFET. Man kann es auch so sehen, dass wir bei 600 Volt die Spannung, bei der man von MOSFETs und Silizium auf IGBTs umschaltet, 10-mal so hoch ansetzen. Man würde also einen MOSFET aus Siliziumkarbid bis zu 6.000 Volt verwenden, bevor man auf einen IGBT umschalten müsste. Das hohe elektrische Durchbruchsfeld, das wir durch die große Bandlücke erhalten, ermöglicht es uns, die Bauelemente zu verwenden, die man in Silizium einsetzen möchte, aber nicht kann, weil der Widerstand zu groß ist, um sie praktisch zu machen. Man kann also das Gerät in Siliziumkarbid herstellen, das man eigentlich in Silizium haben wollte, aber aufgrund der Physik von Silizium ist es in diesem Spannungsbereich nicht praktikabel.

SE: Altert das Siliziumkarbid aufgrund der höheren Spannung genauso wie Silizium?

Palmour: Es ist das Gleiche. Die Spannung spielt keine Rolle. Es ist das elektrische Feld, das unabhängig von der Spannung das gleiche ist. Siliziumkarbid ist sehr robust, und es altert nicht anders als andere Halbleiter.

SE: Wird es Größenvorteile geben, wenn SiC an mehr Orten eingesetzt wird?

Palmour: Ja. Wegen der thermischen Überlegungen wird es ein wenig asymptotischer sein als das Mooresche Gesetz, aber wir sind definitiv früh in der Kostensenkungskurve. Von 2017 bis 2024 erwarten wir einen Anstieg des Volumens um das 30-fache. Das wird sich auswirken.

SE: Gibt es Einschränkungen, die diesen Anstieg des Volumens stören könnten?

Palmour: Siliziumkarbid ist Sand und Kohle. Silizium und Kohlenstoff sind zwei der am häufigsten vorkommenden Elemente auf der Erde. Es ist nicht wie Indiumphosphid oder Hafnium. Ich mache mir eher Sorgen darüber, ob für batteriebetriebene Elektrofahrzeuge genügend Lithium zur Verfügung steht und ob es genügend seltene Erden für die Permanentmagnetmotoren gibt. Wir können die Halbleiter herstellen.

SE: Wir sehen jetzt viel mehr Aufmerksamkeit auf mehrere Chips in einem Gehäuse. Wie verhält sich SiC in solchen Gehäusen? Müssen sie überhaupt im selben Gehäuse untergebracht werden?

Palmour: Was die Leistungsbauelemente aus Siliziumkarbid angeht, so haben wir drei Produktlinien. Die eine sind diskrete Leistungsbauelemente. Das ist ein einzelner MOSFET in einem TO-247-Gehäuse oder eine Diode in einem TO-220-Gehäuse – einfach ein typisches diskretes Standardgehäuse. Dann verkaufen wir Chips an andere Unternehmen, die ihre eigenen Gehäuse herstellen, aber im Großen und Ganzen sind das Modulhersteller. Und dann haben wir unsere eigenen Module. Ein Modul besteht aus mehreren Siliziumkarbid-MOSFET-Chips, die parallel geschaltet sind, um eine höhere Leistung zu erzielen, und zwar in einer sehr einfachen Schaltung. In den meisten Fällen handelt es sich um weitere identische Siliziumkarbid-Chips in diesem Leistungsmodul. Nehmen wir an, Sie haben einen 100-Ampere-Chip, benötigen aber ein Leistungsmodul und eine H-Brücken-Konfiguration, die Ihnen 600 Ampere liefert. Sie würden also sechs 100-Ampere-Bauteile auf der einen Seite und sechs 100-Ampere-Bauteile auf der anderen Seite anbringen, um die H-Brücke zu erhalten, und dann vielleicht noch einige Kondensatoren oder Widerstände. Das gibt es heute auf dem Markt. Das große Problem – an dem wir viel arbeiten und an dem auch viele Leute im Automobilbereich arbeiten – ist, dass man, wenn man unsere Chips in ein Standard-Silizium-Power-Modul-Gehäuse einbaut, wegen der eingebauten Induktivitäten nur etwa die Hälfte der Leistung erhält, die die Chips bieten könnten. Ich würde es damit gleichsetzen, einen Ferrari-Motor in ein VW-Käfer-Chassis einzubauen.

SE: Das klingt nach einer Fehlanpassung.

Palmour: Wir und andere arbeiten daran, dieses Modul zu optimieren, um die Vorteile von Siliziumkarbid voll auszunutzen. Wir müssen ein Ferrari-Chassis für diesen Motor bauen, und daran wird bei den Leistungsmodulen gearbeitet. Auf die Frage, ob es mit anderen Chips in einem Paket funktioniert, lautet die Antwort: Ja. Heutzutage befinden sich die Treiber und die anderen Chips, aus denen das Leistungsmodul besteht, in der Regel auf einer Platine. Normalerweise befinden sie sich auf einer separaten Platine direkt neben dem Modul, aber sie können auch in demselben Modul untergebracht sein. Das nennt man dann ein intelligentes Leistungsmodul. Aber mit Siliziumkarbid kann man definitiv das Gleiche machen.

SE: Wie sieht es mit Dingen wie Rauschen und Drift aus, die bei vielen Designs ein wachsendes Problem darstellen? Ist das bei SiC anders?

Palmour: Diese Frage hat zwei Aspekte. Was die Stabilität der Oxide angeht, so gibt es bei Siliziumkarbid eine gewisse Drift. Wir verbringen viel Zeit damit, dies zu minimieren. Es ist kein Problem, wenn man es erst einmal richtig hinbekommen hat. Es ist vor allem eine Frage der Betriebszeit. In den ersten 10 oder 20 Stunden verschiebt sich alles, dann stabilisiert es sich. Und wenn man alles ausschaltet, passiert es wieder. Die Lösung ist also, das so gering wie möglich zu halten. Was das Rauschen angeht, so sind wir nicht so anfällig wie andere Chips. Aber weil Siliziumkarbid mit so hohen Frequenzen betrieben werden kann und mit wirklich hohen dv/dt und di/dt schalten kann, erzeugen wir tatsächlich Rauschen. Man muss seine Schaltungen sehr sorgfältig entwerfen, um das Rauschen zu minimieren.

SE: Hilft eine Abschirmung?

Palmour: Es geht nicht so sehr um die Abschirmung, sondern vielmehr darum, das Design richtig hinzubekommen. In Silizium könnte man den Treiber einen Meter entfernt aufstellen und ein Kabel verlegen, und es wäre keine große Sache. Bei Siliziumkarbid ist die Induktivität so hoch, dass es wie ein Donnerhall klingt. Man muss den Treiber sehr nahe am Modul anbringen, um das induktive Klingeln zu minimieren und das Rauschen zu reduzieren. Sie müssen diese Induktivitäten minimal halten.

SE: Das ist also das große Problem, mit dem sich HF-Designer heute auseinandersetzen müssen, richtig?

Palmour: Richtig, und wir arbeiten sowohl im HF- als auch im Leistungsbereich. Wenn man Siliziumkarbid verwendet, drängt es einen mehr in den HF-Bereich, als viele Leute in der Energietechnik zu denken gewohnt sind. RF ist eine andere Welt. Kondensatoren werden zu Widerständen, Widerstände werden zu Kondensatoren, und alles wird auf den Kopf gestellt.

SE: Aber SiC wurde in der HF-Welt ausgiebig verwendet, nicht wahr?

Palmour: Ja, und RF ist der andere Teil unseres Geschäfts. Dort verwenden wir SiC als Substrat. Wir haben früher SiC-MESFETs (Metall-Halbleiter-FETs) für RF-Geräte verkauft. Für Gan RF werden 99 % der Gan RF-Bauteile auf einem Siliziumkarbid-Substrat hergestellt.

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