Creen teknologiajohtaja John Palmour istui alas Semiconductor Engineeringin kanssa puhumaan piikarbidista, miten sitä verrataan piihin, mikä on erilaista suunnittelun ja pakkaamisen kannalta ja missä sitä käytetään. Seuraavassa on otteita tuosta keskustelusta.
SE: SiC on hyvin tunnettu tehoelektroniikassa ja RF:ssä, mutta onko sen tärkein etu kyky käyttää laitteita kuumempana kuin pii, vai onko se energian säästämistä?
Palmour: SiC: Tavoitteena on säästää energiaa ja alentaa järjestelmäkustannuksia. Piikarbidi säästää OEM:n rahaa.
SE: Heti alkuun?
Palmour: Palmour: Kyllä. Jos esimerkiksi sanotaan: ”Okei, voin laittaa piikarbidia, joka on kalliimpi kuin IGBT, mutta voin säästää kolminkertaisesti akkukustannuksissa, niin he tekevät niin.”. Useimmiten sitä käytetään etukäteiskustannusten kattamiseen.
SE: Mutta se ei välttämättä ole yksi yhteen -säästö materiaalissa. Kyse on enemmänkin järjestelmäkustannuksista, eikö niin?
Palmour: Palmour: Kyllä, ehdottomasti. Piikarbidi on kalliimpaa kuin pii-IGBT:t, ja ne paikat, joissa saamme voittoja, ovat siellä, missä he toteuttavat säästöt järjestelmätasolla. Se on lähes aina järjestelmämyynti.
SE: Onko tämä hidastanut SiC:n käyttöönottoa?
Palmour: Siihen on löydettävä sovellukset, joissa säästetään rahaa järjestelmätasolla. Mutta kun teet sen ja alat toimittaa volyymia, hinta laskee ja alat avata muita sovelluksia. Aiemmin rajoittava tekijä oli alkukustannus, mutta ihmiset alkavat tarkastella paljon enemmän järjestelmäkustannuksia ja huomaavat, että alkukustannus on tästä näkökulmasta parempi piikarbidin kanssa.
SE: Entä SiC:n saatavuus verrattuna piiin?
Palmour: Jos olet autoteollisuuden alkuperäinen laitevalmistaja, olet huolissasi kapasiteetista, koska näiden autoteollisuuden mallien vaikutus on se, että markkinat kasvavat paljon nykyistä suuremmiksi. Toimitusvarmuus on huolenaihe. Siksi Cree ilmoitti lukuisista kiekkotoimitussopimuksista muiden piikarbidilaitteita valmistavien yritysten kanssa. Teimme ilmoituksen Delphin kanssa, jossa myymme siruja Delphille ja he myyvät invertterin eurooppalaiselle OEM-valmistajalle. Näitä asioita tarkastellaan parhaillaan, ja toimitukset on varmistettava. Näissä pitkäaikaisissa ostosopimuksissa meidän on tiedettävä, että kysyntää on, ennen kuin investoimme paljon pääomaa kapasiteettiin. Ilmoitimme viime vuonna, että lisäämme 1 miljardin dollarin investoinnit kapasiteetin lisäämiseksi huomattavasti, jotta voimme vastata tähän tarpeeseen. Sitä tarvitaan, ja se on vasta alku. Jos tarkastellaan akkusähköajoneuvojen osuutta ajoneuvojen kokonaismarkkinoilla, tämä on vasta alkua.
SE: Onko tämä kaikki 200 mm:n vai vanhempaa teknologiaa?
Palmour: Valtaosa kaikesta tuotannosta tapahtuu nykyään 150 mm:n 6 tuuman kiekoilla. Jonkin verran on vielä 4 tuuman kiekkoja. Rakennamme New Yorkiin uutta tuotantolaitosta, josta tulee 200 mm:n tuotantoon kykenevä, mutta emme tee 200 mm:n levyjä tällä hetkellä, emmekä odota olevamme valmiita siihen useisiin vuosiin. Kun 8-tuumainen on valmis, voimme ottaa sen käyttöön. Kaikki laitteet tulevat olemaan 200 mm:n laitteita, jotta voimme nopeasti siirtyä 8-tuumaiseen, kun aika on oikea. Tällä hetkellä tuotannossa ei ole yhtään 8-tuumaista laitetta.
SE: Onko prosessi radikaalisti erilainen kuin piisirujen valmistus? Käytetäänkö siinä samoja työkaluja, joita normaalisti käytetään?
Palmour: Palmour: Jos puhutaan materiaalien kasvattamisesta, se on erilaista. Kristallien kasvattaminen on radikaalisti erilaista. Waferointi, kiillotus, epitaksia ovat kaikki aivan erilaisia. Mutta kun pääset tehtaaseen, se on melko vakiolaitteistoa lukuun ottamatta kahta tai kolmea prosessia, jotka on räätälöity vahvasti piikarbidille. Perusprosessit ovat hyvin piitä muistuttavia, ja suurin osa puhdastilalaitteista on tyypillisiä piilaitteita.
SE: Entä testaus- ja tarkastuspuolella?
Palmour:
SE: Koska SiC:tä käytetään korkeammissa lämpötiloissa, onko vikaantuminen suurempi ongelma?
Palmour: Se johtuu siitä, että pii ei voi mennä hyvin korkeisiin lämpötiloihin, koska se alkaa luonnostaan johtaa. Se lakkaa olemasta puolijohde noin 175 °C:ssa, ja 200 °C:ssa se muuttuu johtavaksi. Piikarbidin kohdalla tämä lämpötila on paljon korkeampi – noin 1 000 °C – joten se voi toimia paljon korkeammissa lämpötiloissa. Emme kuitenkaan tavoittele paljon korkeampia lämpötiloja kuin pii pakkausten vuoksi. Mitä korkeammassa lämpötilassa paketti arvioidaan, sitä suurempi on delta T matalan ja korkean lämpötilan välillä ja sitä nopeammin paketti voi hajota. Emme tavoittele radikaalisti korkeampia lämpötiloja. Ja itse asiassa, koska olemme tehokkaita, emme itse asiassa kuumene niin paljon neliösenttimetriä kohti laskettuna. Sirumme ovat tyypillisesti noin 175 °C:n lämpötilassa, mikä ei ole paljon korkeampi kuin pii.
SE: Tämä asettaa SiC:n ASIL D -luokkaan auto- tai teollisuussovelluksiin, eikö?
Palmour:
SE: Mikä on erilaista fysiikan tasolla?
Palmour: Se on periaatteessa määritelmä sille, kuinka paljon energiaa tarvitaan elektronin irrottamiseen kahden piiatomin välisestä sidoksesta. Tarvitaan siis 1,1 elektronivolttia repiäkseen elektronin irti tuosta sidoksesta. Piikarbidin kaistaväli on 3,2 elektronivolttia, joten se vaatii kolme kertaa enemmän energiaa. Mutta se on itse asiassa eksponentiaalinen funktio. Monet puolijohteiden kaista-aukon ominaisuuksista ovat itse asiassa eksponentissa. Meillä on kolme kertaa leveämpi kaistaleveys, mutta sähköisen läpilyönnin osalta meillä on itse asiassa 10 kertaa suurempi sähköinen läpilyöntikenttä.
SE: Mitä se tarkoittaa reaalimaailman sovellusten kannalta?
Palmour: Se tarkoittaa, että jos teet täsmälleen saman rakenteen piistä ja piikarbidista – sama epi-paksuus, sama doping-taso – piikarbidiversio estää 10 kertaa enemmän jännitettä kuin piiversio. Voit tehdä MOSFETin piistä ja voit tehdä MOSFETin piikarbidista. Piistä valmistetut MOSFETit ovat hyvin yleisiä pienjännitealueella, 10 voltista noin 300 volttiin. Yli 300 voltin jännitteen pii-MOSFET:n resistanssi nousee hyvin korkeaksi, mikä tekee MOSFET:stä epähoukuttelevan. Se on liian kallis. Niinpä he siirtyvät bipolaariseen laitteeseen. MOSFET on unipolaarinen laite, eli siinä ei ole vähemmistökantajia. Laitteessa virtaa vain elektroneja. Ja kun se on unipolaarinen laite, se voi kytkeytyä hyvin, hyvin nopeasti. Jos tarkastellaan 60 voltin MOSFETiä, se kytkeytyy hyvin nopeasti, ja siksi piistä voidaan tehdä gigahertsin prosessoreita. Ne ovat hyvin matalajännitteisiä MOSFETeja – ehkä 5 volttia. Mutta kun jännite nousee, on siirryttävä bipolaariseen laitteeseen, mikä tarkoittaa, että laitteessa virtaa samanaikaisesti sekä elektroneja että elektroniaukkoja. Aina kun kytkin kytkeytyy, kaikki elektronit ja reiät täytyy hävittää, jotta ne yhdistyvät uudelleen ja tuottavat energiaa. Bipolaarinen laite antaa paljon pienemmän resistanssin ja paljon pienemmän ja edullisemman sirun, mutta ylimääräinen lämpö täytyy haihduttaa joka kerta, kun vaihdetaan. Tämä on kompromissi, jonka teet. Voit tehdä edullisen virtakytkimen, mutta se ei ole kovin tehokas.
Kuva 1: SiC MOSFET. Lähde: Cree
SE: Entäpä SiC:llä?
Palmur: Piikarbidilla on 10 kertaa suurempi läpilyöntikenttä. Meidän 600 voltin MOSFETimme tulee olemaan yhtä nopea kuin 60 voltin pii-MOSFET. Toinen tapa tarkastella asiaa on, että jos sanotaan, että 600 volttia on jännite, jolla siirrytään MOSFET:istä ja piistä IGBT:iin, olisimme 10 kertaa korkeammalla jännitteellä. Piikarbidista valmistettua MOSFETiä käytettäisiin siis 6 000 voltin jännitteeseen asti, ennen kuin olisi siirryttävä IGBT:hen. Suuren sähköisen läpilyöntikentän ansiosta, jonka saamme tästä laajasta kaistanleveydestä, voimme käyttää laitetyyppiä, jota haluaisit käyttää piissä, mutta et voi, koska se on liian resistiivinen, jotta se olisi käytännöllistä. Piikarbidista voi siis tehdä laitteen, jonka oikeasti halusi piissä, mutta piin fysiikan vuoksi se ei ole käytännöllinen kyseisellä jännitealueella.
SE: Vanheneeko piikarbidi samalla tavalla kuin pii korkeamman jännitteen vuoksi?
Palmour: Se on sama. Jännitteellä ei ole väliä. Kyse on sähkökentästä, joka on sama jännitteestä riippumatta. Piikarbidi on hyvin kestävää, eikä se vanhene eri tavalla kuin mikään muu puolijohde.
SE: Saavutetaanko mittakaavaetuja, kun SiC:tä aletaan käyttää yhä useammassa paikassa?
Palmour: Palmu: Kyllä. Se tulee olemaan hieman asymptoottisempaa kuin Mooren laki termisten näkökohtien vuoksi, mutta olemme ehdottomasti kustannusten laskukäyrän alkupäässä. Vuodesta 2017 vuoteen 2024 odotamme volyymin kasvavan 30-kertaiseksi. Sillä on vaikutusta.
SE: Onko rajoituksia, jotka voisivat häiritä tätä volyymin kasvua?
Palmour: Piikarbidi on hiekkaa ja hiiltä. Pii ja hiili ovat kaksi maapallon runsaimpia alkuaineita. Se ei ole kuin indiumfosfidi tai hafnium. Enemmän olen huolissani siitä, saako akkusähköautoihin tarpeeksi litiumia ja riittääkö harvinaisia maametalleja kestomagneettimoottoreihin. Pystymme valmistamaan puolijohteita.
SE: Huomio kiinnittyy nyt paljon enemmän useisiin siruihin samassa paketissa. Miten SiC käyttäytyy tällaisissa pakkauksissa? Olisiko se välttämättä edes samassa paketissa?
Palmour: Meillä on kolme tuotelinjaa piikarbiditeholaitteiden osalta. Yksi on erilliset teholaitteet. Kyseessä on siis yksittäinen MOSFET TO-247-kotelossa tai diodi TO-220-kotelossa – tyypillinen tavallinen diskreetti pakkaus. Sitten myymme siruja muille yrityksille, jotka tekevät omia pakkauksiaan, mutta ne ovat suurimmaksi osaksi moduulivalmistajia. Ja sitten meillä on omia moduuleja. Moduuliin kuuluu useita piikarbidi-MOSFET-siruja rinnakkain, jotta saadaan enemmän tehoa hyvin yksinkertaisessa piirissä. Tavallisimmissa tapauksissa kyseisessä tehomoduulissa on muita samanlaisia piikarbidisiruja. Sanotaan, että sinulla on 100 ampeerin siru, mutta tarvitset tehomoduulin ja H-siltakokoonpanon, jolla saat 600 ampeeria. Laitetaan siis kuusi 100 ampeerin laitetta toiselle puolelle, kuusi 100 ampeerin laitetta toiselle puolelle, jotta saadaan H-silta, ja sitten ehkä joitakin kondensaattoreita tai vastuksia. Tällaisia laitteita on nykyään markkinoilla. Suuri ongelma – jonka parissa teemme paljon työtä ja jonka parissa monet autoteollisuuden parissa työskentelevät kaverit työskentelevät – on se, että jos sirumme pudotettaisiin tavalliseen piitehomoduulipakettiin, saataisiin vain noin puolet siitä suorituskyvystä, jonka sirut voisivat antaa, sisäänrakennettujen induktanssien vuoksi. Vertaisin sitä siihen, että Ferrarin moottori laitettaisiin VW:n ötökän alustaan.
SE: Se kuulostaa epäsopivalta.
Palmour: Se, mitä me ja muut työstämme, on se, miten optimoimme tuon moduulin niin, että piikarbidista saadaan täysi hyöty irti. Meidän on rakennettava Ferrarin alusta tuolle moottorille, ja sitä työstetään tehomoduuleissa. Mitä tulee siihen, voisiko se toimia muiden sirujen kanssa paketissa, vastaus on kyllä. Tyypillisesti nykyään ohjaimet ja muut tehomoduulin muodostavat piirit ovat piirilevyllä. Yleensä ne ovat erillisellä piirilevyllä, joka on sijoitettu aivan kyseisen moduulin viereen, mutta ne voivat olla samassa moduulissa. Sitä kutsutaan älykkääksi tehomoduuliksi. Mutta sama onnistuu varmasti myös piikarbidissa.
SE: Entä kohinan ja driftin kaltaiset asiat, jotka ovat kasvavia ongelmia monissa malleissa? Onko se erilaista SiC:n kanssa?
Palmour: Kysymyksessä on kaksi osaa. Mitä tulee oksidien vakauteen, piikarbidissa on jonkin verran ajelehtimista. Käytämme paljon aikaa sen minimoimiseen. Se ei ole ongelma, kunhan se saadaan kuntoon. Kyse on lähinnä käyttöajasta. Se periaatteessa siirtyy ensimmäisten 10 tai 20 tunnin aikana, ja sitten se vakiintuu. Jos kaikki kytketään pois päältä, se tapahtuu uudelleen, joten ratkaisu on tehdä siitä mahdollisimman vähäistä. Mitä tulee meluun, emme ole niin alttiita melulle kuin muut sirut. Mutta koska piikarbidia voidaan käyttää niin korkeilla taajuuksilla ja koska se voi kytkeytyä todella suurilla dv/dt- ja di/dt-arvoilla, me itse asiassa aiheutamme melua. Piirisuunnittelu on tehtävä hyvin huolellisesti, jotta melun määrä saadaan minimoitua.
SE: Auttaako suojaus?
Palmour: Se ei todellakaan ole suojaus niin paljon kuin se, että saat suunnittelusi oikein. Siliconissa voisit laittaa ohjaimen metrin päähän ja putkittaa kaapelin ja se ei ole iso juttu. Piikarbidissa sinulla olisi niin paljon induktanssia, että se soisi kuin banshee. Ajuri on asetettava hyvin lähelle moduulia, jotta induktiivinen soitto minimoitaisiin ja kohina vähenisi. Induktanssit on pidettävä mahdollisimman pieninä.
SE: Tämä siis johtaa suureen ongelmaan, jonka kanssa RF-suunnittelijat ovat nykyään tekemisissä, eikö niin?
Palmour: Aivan, ja me teemme sekä RF- että tehosuunnittelua. Kun käytät piikarbidia, se työntää sinut enemmän kohti RF-aluetta kuin monet tehoalan ihmiset ovat tottuneet ajattelemaan. RF on eri maailma. Kondensaattoreista tulee vastuksia, vastuksista kondensaattoreita, ja kaikki kääntyy ylösalaisin.
SE: Mutta SiC:tä on käytetty laajasti RF-maailmassa, eikö niin?
Palmour: Kyllä, ja RF on toinen osa liiketoimintaamme. Siellä käytämme SiC:tä substraattina. Myimme aiemmin SiC MESFET:iä (metal-semiconductor FET) RF-laitteisiin. Gan RF:n osalta 99 prosenttia Gan RF-laitteista tehdään piikarbidialustalla.
Related Materials
Silicon Carbide Knowledge Center
Top-jutut, erikoisraportit ja muuta SiC:stä
SiC Foundry Business Emerges
Will a fabless approach work in the power semi market?
MOCVD Vendors Eye New Apps
VCSELit, mini/microLEDit, teho- ja RF-laitteet viittaavat tämän teknologian uuteen buumiin.
GaN Versus Silicon For 5G
Silicon still wins in sub-6 GHz, but after that GaN looks increasingly attractive.