John Palmour, CTO chez Cree, s’est assis avec Semiconductor Engineering pour parler du carbure de silicium, comment il se compare au silicium, ce qui est différent du point de vue de la conception et du conditionnement, et où il est utilisé. Ce qui suit sont des extraits de cette conversation.
SE : Le SiC est bien compris dans l’électronique de puissance et la RF, mais son principal avantage est-il la possibilité de faire fonctionner des dispositifs plus chauds que le silicium, ou est-ce pour économiser de l’énergie ?
Palmour : L’objectif est d’économiser de l’énergie et de réduire les coûts du système. Le carbure de silicium permet aux OEM d’économiser de l’argent.
SE : Dès le départ ?
Palmour : Oui. Par exemple, si vous dites : ‘Ok, je peux mettre du carbure de silicium, qui est plus cher qu’un IGBT mais je peux économiser trois fois plus sur le coût de la batterie, c’est ce qu’ils font’. Le plus souvent, ils sont utilisés pour le coût initial.
SE : Mais ce n’est pas nécessairement une économie de matériau de un à un. Il s’agit plutôt du coût du système, non ?
Palmour : Oui, absolument. Le carbure de silicium est plus cher que les IGBT en silicium, et les endroits où nous obtenons nos victoires sont ceux où ils réalisent les économies au niveau du système. C’est presque toujours une vente de système.
SE : Est-ce que cela a ralenti l’adoption du SiC ?
Palmour : Vous devez trouver les applications où vous économisez de l’argent au niveau du système. Mais lorsque vous y parvenez et que vous commencez à expédier des volumes, le prix baisse et vous commencez à ouvrir d’autres applications. Dans le passé, le facteur limitant était le coût initial, mais les gens commencent à regarder beaucoup plus les coûts du système et ils réalisent que le coût initial de ce point de vue est meilleur avec le carbure de silicium.
SE : Qu’en est-il de la disponibilité du SiC par rapport au silicium ?
Palmour : Si vous êtes un équipementier automobile, vous vous inquiétez effectivement de la capacité parce que l’impact de ces conceptions automobiles sera d’amener le marché à devenir beaucoup plus grand qu’il ne l’est aujourd’hui. L’assurance de l’approvisionnement est une préoccupation. C’est pourquoi Cree a annoncé de nombreux accords de fourniture de plaquettes avec d’autres sociétés qui fabriquent des dispositifs en carbure de silicium. Nous avons fait une annonce avec Delphi, où nous vendons des puces à Delphi et ils vendent un onduleur à un OEM européen. Ces choses sont en train d’être examinées, et vous devez verrouiller l’approvisionnement. Sur ces accords d’achat à long terme, nous devons savoir que la demande sera là avant d’investir beaucoup de capital pour la capacité. Nous avons annoncé l’année dernière que nous allions ajouter 1 milliard de dollars de dépenses d’investissement pour augmenter considérablement notre capacité à répondre à ce besoin. C’est nécessaire, et ce n’est qu’un début. Si vous faites les chiffres sur la pénétration des véhicules électriques à batterie sur le marché global des véhicules, ce n’est que le début.
SE : Est-ce que tout cela est en 200 mm, ou est-ce une technologie plus ancienne ?
Palmour : La majeure partie de toute la production aujourd’hui est sur des plaquettes de 150mm 6 pouces. Il y en a encore un peu sur des 4 pouces. Nous construisons une nouvelle usine à New York qui sera capable de produire du 200 mm, mais nous ne faisons pas de 200 mm aujourd’hui et nous ne pensons pas être prêts pour cela avant plusieurs années. Lorsque le 8 pouces sera prêt, nous pourrons le mettre en service. Tout l’équipement sera de 200 mm afin que nous puissions rapidement passer au 8 pouces lorsque le moment sera venu. Il n’y a pas de 8 pouces en production aujourd’hui.
SE : Le processus est-il radicalement différent de la fabrication de puces en silicium ? Utilise-t-il les mêmes outils que vous utiliseriez normalement ?
Palmour : Si vous parlez de la croissance des matériaux, c’est différent. La croissance des cristaux est radicalement différente. Le wafering, le polissage, l’épitaxie sont tous très différents. Mais une fois que vous êtes dans la fabrique, il s’agit d’un équipement assez standard, à l’exception de deux ou trois processus, qui sont fortement adaptés au carbure de silicium. Les processus fondamentaux de la fab sont très semblables à ceux du silicium, et la majeure partie de l’équipement de la salle blanche est un équipement typique du silicium.
SE : Et du côté des tests et de l’inspection ?
Palmour : Ceux-ci sont assez similaires à ceux du silicium.
SE : Parce que le SiC est exécuté à des températures plus élevées, la défectuosité est-elle plus un problème ?
Palmour : La raison pour laquelle le silicium ne peut pas aller à des températures très élevées est qu’intrinsèquement il commence à être conducteur. Il cesse vraiment d’être un semi-conducteur vers 175°C, et à 200°C il devient conducteur. Pour le carbure de silicium, cette température est beaucoup plus élevée – environ 1 000°C – et il peut donc fonctionner à des températures beaucoup plus élevées. Mais nous ne visons pas des températures beaucoup plus élevées que celles du silicium à cause de l’emballage. Plus la température à laquelle vous évaluez votre boîtier est élevée, plus le delta T entre la température basse et la température élevée est important et plus le boîtier peut se dégrader rapidement. Nous ne visons pas des températures radicalement plus élevées. Et en fait, parce que nous sommes efficaces, nous n’atteignons pas une telle température au centimètre carré. Nos puces vont typiquement pour environ 175°C, ce qui n’est pas tellement plus élevé que le silicium.
SE : Cela place SiC dans la catégorie ASIL D pour les applications automobiles ou industrielles, n’est-ce pas ?
Palmour : Oui, absolument.
SE : Qu’est-ce qui est différent au niveau de la physique ?
Palmour : Le silicium a une bande interdite de 1,1 électronvolt, et c’est essentiellement la définition de la quantité d’énergie qu’il faut pour arracher un électron de la liaison entre deux atomes de silicium. Il faut donc 1,1 électronvolt pour arracher un électron de cette liaison. Le carbure de silicium a une bande interdite de 3,2 électronvolts, et il faut donc 3 fois plus d’énergie. Mais c’est en fait une fonction exponentielle. Beaucoup des caractéristiques de la bande interdite des semi-conducteurs sont en fait dans l’exposant. Nous avons une bande interdite trois fois plus large, mais en ce qui concerne le claquage électrique, nous avons en fait un champ de claquage électrique 10 fois plus élevé.
SE : Qu’est-ce que cela signifie en termes d’applications réelles ?
Palmour : Cela signifie que si vous faites exactement la même structure en silicium et en carbure de silicium – la même épaisseur d’épi, le même niveau de dopage – la version en carbure de silicium bloquera 10 fois plus de tension que la version en silicium. Vous pouvez fabriquer un MOSFET en silicium et vous pouvez fabriquer un MOSFET en carbure de silicium. Les MOSFET en silicium sont très courants dans la région des basses tensions, de 10 à 300 volts environ. Au-delà de 300 volts, la résistance d’un MOSFET en silicium devient très élevée et rend le MOSFET peu attrayant. Il est trop cher. Donc ce qu’ils font c’est qu’ils passent à un dispositif bipolaire. Un MOSFET est un dispositif unipolaire, ce qui signifie qu’il n’y a pas de porteurs minoritaires. Il n’y a que des électrons qui circulent dans le dispositif. Et quand c’est un dispositif unipolaire, il peut commuter très, très rapidement. Si vous regardez un MOSFET de 60 volts, il commute très rapidement, et c’est, c’est pourquoi vous pouvez faire des processeurs gigahertz en silicium. Ce sont des MOSFETs à très basse tension – peut-être 5 volts. Mais lorsque la tension augmente, il faut passer à un dispositif bipolaire, ce qui signifie que les électrons et les trous circulent en même temps dans le dispositif. Et à chaque commutation, vous devez dissiper tous ces électrons et trous qui se recombinent et génèrent de l’énergie. Le dispositif bipolaire offre une résistance beaucoup plus faible et une puce beaucoup plus petite et plus abordable, mais vous devez dissiper cet excès de chaleur à chaque commutation. C’est le compromis que vous faites. Vous pouvez fabriquer un interrupteur de puissance abordable, mais il n’est pas très efficace.
Fig. 1 : MOSFET SiC. Source : Cree
SE : Et si on utilisait du SiC ?
Palmour : Le carbure de silicium a un champ de rupture 10 fois plus élevé. Notre MOSFET de 600 volts sera aussi rapide qu’un MOSFET de 60 volts en silicium. L’autre façon de voir les choses est que si vous dites que 600 volts est la tension à laquelle vous passez des MOSFETs et du silicium aux IGBTs, nous serions à une tension 10 fois plus élevée. Vous pourriez donc utiliser un MOSFET en carbure de silicium jusqu’à 6 000 volts avant de devoir passer à un IGBT. Le champ de rupture électrique élevé que nous obtenons grâce à cette large bande interdite nous permet d’utiliser le type de dispositif que vous voudriez utiliser dans le silicium, mais que vous ne pouvez pas utiliser car il est trop résistif pour être pratique. Donc vous pouvez faire le dispositif en carbure de silicium que vous vouliez vraiment dans le silicium, mais en raison de la physique du silicium, ce n’est pas pratique dans cette gamme de tension.
SE : Est-ce que le carbure de silicium vieillit de la même manière que le silicium en raison de la tension plus élevée ?
Palmour : C’est la même chose. Le voltage n’a pas d’importance. C’est le champ électrique, qui est le même quelle que soit la tension. Le carbure de silicium est très robuste, et il ne vieillit pas différemment des autres semi-conducteurs.
SE : Y aura-t-il des économies d’échelle au fur et à mesure que le SiC sera utilisé dans plus d’endroits ?
Palmour : Oui. Ce sera un peu plus asymptotique que la loi de Moore en raison des considérations thermiques, mais nous sommes définitivement au début de la courbe de réduction des coûts. De 2017 à 2024, nous nous attendons à ce que le volume soit multiplié par 30. Cela aura un impact.
SE : Des contraintes qui pourraient perturber cette augmentation de volume ?
Palmour : Le carbure de silicium est du sable et du charbon. Le silicium et le carbone sont deux des éléments les plus abondants sur terre. Ce n’est pas comme le phosphure d’indium ou l’hafnium. Je m’inquiète davantage de savoir si les véhicules électriques à batterie peuvent obtenir suffisamment de lithium, et s’il y a suffisamment de terres rares pour fabriquer les moteurs à aimant permanent. Nous pouvons fabriquer les semi-conducteurs.
SE : Nous voyons maintenant beaucoup plus d’attention portée sur les puces multiples dans un boîtier. Comment le SiC se comporte-t-il dans ces types de boîtiers ? Serait-il nécessairement même dans le même paquet ?
Palmour : En termes de dispositifs de puissance en carbure de silicium, nous avons trois lignes de produits. La première est celle des dispositifs de puissance discrets. C’est donc un seul MOSFET dans un boîtier TO-247, ou une diode dans un boîtier TO-220 – juste un boîtier discret standard typique. Nous vendons ensuite des puces à d’autres entreprises qui vont créer leur propre boîtier, mais il s’agit en général de fabricants de modules. Et puis nous avons nos propres modules. Un module comprend plusieurs puces MOSFET au carbure de silicium en parallèle, pour obtenir plus de puissance, dans un circuit très simple. Dans les cas les plus courants, il s’agit d’autres puces en carbure de silicium identiques dans ce module de puissance. Disons que vous avez une puce de 100 ampères, mais que vous avez besoin d’un module de puissance et d’une configuration de pont en H qui vous donne 600 ampères. Vous mettez donc six dispositifs de 100 ampères d’un côté, six dispositifs de 100 ampères de l’autre pour obtenir ce pont en H, puis peut-être quelques condensateurs ou quelques résistances. C’est ce qui existe sur le marché aujourd’hui. Le gros problème – et ce sur quoi nous travaillons beaucoup et ce sur quoi beaucoup de personnes travaillant dans le domaine de l’automobile travaillent – est que si vous deviez insérer nos puces dans un module d’alimentation en silicium standard, vous n’obtiendriez que la moitié des performances que les puces pourraient vous donner en raison des inductances intégrées. Je l’équivaudrais à laisser tomber un moteur Ferrari dans un châssis de bug VW.
SE : Cela ressemble à une inadéquation.
Palmour : Ce sur quoi nous travaillons, avec d’autres, c’est comment optimiser ce module pour tirer pleinement parti du carbure de silicium. Nous devons construire un châssis Ferrari pour ce moteur, et c’est ce sur quoi on travaille dans les modules de puissance. Quant à savoir si cela fonctionnerait avec d’autres puces dans un boîtier, la réponse est oui. En général, aujourd’hui, les pilotes et les autres puces qui composent ce module de puissance se trouvent sur une carte. Il s’agit généralement d’une carte distincte placée juste à côté du module, mais elle peut être intégrée au même module. C’est ce qu’on appelle un module d’alimentation intelligent. Mais vous pouvez certainement faire la même chose en carbure de silicium.
SE : Qu’en est-il des choses comme le bruit et la dérive, qui sont des problèmes croissants dans de nombreuses conceptions ? Est-ce que c’est différent avec le SiC ?
Palmour : Il y a deux parties à cette question. En termes de stabilité des oxydes, il y a une certaine dérive dans le carbure de silicium. Nous passons beaucoup de temps à travailler là-dessus en la minimisant. Ce n’est pas un problème une fois que l’on a réussi. C’est surtout le temps de fonctionnement. Il va se déplacer dans les 10 ou 20 premières heures, puis il se stabilisera. Et si vous éteignez tout, cela se reproduira, donc la solution est de faire en sorte que cela soit le moins possible. En termes de bruit, nous ne sommes pas aussi sensibles au bruit que les autres puces. Mais comme le carbure de silicium peut fonctionner à des fréquences très élevées et commuter à des dv/dt et di/dt très élevés, nous créons du bruit. Vous devez faire votre conception de circuit très soigneusement pour minimiser la quantité de bruit que vous générez.
SE : Est-ce que le blindage aide ?
Palmour : Ce n’est pas vraiment le blindage autant que le fait d’obtenir votre conception correcte. Dans le silicium, vous pourriez mettre le pilote à un pied de distance et tuber un câble et ce n’est pas un gros problème. Dans le carbure de silicium, l’inductance est si élevée qu’elle résonne comme un banshee. Vous devez placer le pilote très près du module pour minimiser cette sonnerie inductive et réduire le bruit. Vous devez garder ces inductances minimales.
SE : Donc, cela se dirige vers le grand problème que les concepteurs RF traitent aujourd’hui, n’est-ce pas ?
Palmour : Exact, et nous faisons à la fois de la RF et de la puissance. Lorsque vous utilisez le carbure de silicium, cela vous pousse plus vers le domaine RF que beaucoup de gens dans la puissance sont habitués à penser. La RF est un monde différent. Les condensateurs deviennent des résistances, les résistances deviennent des condensateurs, et tout est chamboulé.
SE : Mais le SiC a été largement utilisé dans le monde de la RF, n’est-ce pas ?
Palmour : Oui, et la RF est l’autre partie de notre activité. Là, nous utilisons le SiC comme substrat. Nous avions l’habitude de vendre des MESFETs (metal-semiconductor FETs) en SiC pour les dispositifs RF. Pour Gan RF, 99% des dispositifs RF Gan qui existent sont faits sur un substrat de carbure de silicium.
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