John Palmour, a Cree technológiai igazgatója leült a Semiconductor Engineeringgel, hogy beszéljen a szilícium-karbidról, hogyan hasonlít a szilíciumhoz, miben különbözik a tervezés és a csomagolás szempontjából, és hol használják. Az alábbiakban a beszélgetés kivonatai következnek.
SE: A SiC jól ismert a teljesítményelektronikában és az RF-ben, de vajon a fő előnye az, hogy az eszközöket forróbban lehet működtetni, mint a szilíciumot, vagy az, hogy energiát takarít meg?
Palmour: A cél az energiatakarékosság és a rendszerköltségek csökkentése. A szilícium-karbid pénzt takarít meg az OEM-nek.
SE: Rögtön az elején?
Palmour: Palmour: Igen. Ha például azt mondjuk, hogy “Oké, betehetek szilícium-karbidot, ami drágább, mint egy IGBT, de háromszor annyit spórolhatok az akkumulátor költségén, ezt teszik. Leggyakrabban az előzetes költségekre használják.
SE: De ez nem feltétlenül egy az egyben anyagmegtakarítás. Inkább a rendszer költségéről van szó, igaz?
Palmour: Palmour: Igen, abszolút. A szilícium-karbid drágább, mint a szilícium IGBT-k, és ott nyerünk, ahol a rendszerszintű megtakarításokat realizálják. Ez szinte mindig a rendszer eladása.
SE: Ez lelassította a SiC elterjedését?
Palmour: Azokat az alkalmazásokat kell megtalálni, ahol rendszerszinten lehet pénzt megtakarítani. De ahogy ezt megteszi, és elkezdi szállítani a mennyiséget, az ár csökken, és más alkalmazások is megnyílnak. A múltban a korlátozó tényező a kezdeti költség volt, de az emberek kezdik sokkal inkább a rendszerköltségeket vizsgálni, és rájönnek, hogy a kezdeti költség ebből a szempontból jobb a szilíciumkarbiddal.
SE: Mi a helyzet a SiC elérhetőségével a szilíciummal szemben?
Palmour: Ha Ön autóipari OEM, akkor aggódik a kapacitás miatt, mert ezeknek az autóipari terveknek a hatása az lesz, hogy a piac a jelenleginél sokkal nagyobb lesz. Az ellátás biztosítása aggodalomra ad okot. Ezért jelentett be a Cree számos ostyaszállítási megállapodást más szilíciumkarbid eszközöket gyártó vállalatokkal. Bejelentést tettünk a Delphivel, ahol mi chipeket adunk el a Delphinek, ők pedig invertert adnak el egy európai OEM-nek. Ezeket a dolgokat megvizsgálják, és le kell kötni az ellátást. Ezeknél a hosszú távú vásárlási megállapodásoknál tudnunk kell, hogy lesz-e kereslet, mielőtt sok tőkét fektetnénk be a kapacitásba. Tavaly bejelentettük, hogy 1 milliárd dolláros beruházást hajtunk végre, hogy jelentősen növeljük a kapacitásunkat, hogy kielégítsük ezt az igényt. Erre szükség van, és ez csak a kezdet. Ha végigfuttatjuk a számokat az akkumulátoros elektromos járműveknek a teljes járműpiacon való penetrációjáról, ez még csak a kezdet.
SE: Ez mind 200 mm-es, vagy régebbi technológia?
Palmour: A mai gyártás nagy része 150 mm-es, 6 hüvelykes ostyákon történik. Van még néhány 4 hüvelykes is. Építünk egy új gyárat New Yorkban, amely 200 mm-es gyártásra lesz alkalmas, de ma még nem gyártunk 200 mm-es lapkákat, és várhatóan még évekig nem is leszünk készen erre. Ha a 8 hüvelykes gyártás készen áll, akkor be tudjuk kapcsolni. A berendezések mind 200 mm-esek lesznek, így gyorsan át tudunk állni a 8 hüvelykesre, amikor eljön az ideje. Ma még nincs 8 hüvelykes gyártásban.
SE: A folyamat gyökeresen eltér a szilíciumchipek gyártásától? Ugyanazokat a szerszámokat használja, amelyeket általában használ?
Palmour: Ha az anyagnövekedésről beszélünk, akkor más. A kristálynövesztés radikálisan más. Az ostyázás, a polírozás, az epitaktika mind teljesen más. De amint bejutunk a gyárba, ez eléggé szabványos berendezés, kivéve két-három folyamatot, amelyek erősen a szilícium-karbidra vannak szabva. Az alapvető gyártási folyamatok nagyon szilícium-szerűek, és a tisztaszobai berendezések nagy része tipikus szilícium-berendezés.
SE: Mi a helyzet a tesztelési és ellenőrzési oldalon?
Palmour:
SE: Mivel a SiC magasabb hőmérsékleten működik, a hibásodás nagyobb problémát jelent?
Palmour: Mivel a SiC magasabb hőmérsékleten működik, a hibásodás nagyobb problémát jelent? A szilícium azért nem mehet nagyon magas hőmérsékletre, mert önmagában elkezd vezetni. Tényleg megszűnik félvezetőnek lenni 175°C körül, és 200°C-nál már vezetővé válik. A szilícium-karbid esetében ez a hőmérséklet sokkal magasabb – körülbelül 1000°C -, így sokkal magasabb hőmérsékleten is működhet. De a csomagolás miatt nem célozunk meg sokkal magasabb hőmérsékleteket, mint a szilícium. Minél magasabb hőmérsékleten értékeljük a csomagot, annál nagyobb a delta T az alacsony és a magas hőmérséklet között, és annál gyorsabban degradálódhat a csomag. Nem törekszünk radikálisan magasabb hőmérsékletre. Sőt, mivel hatékonyak vagyunk, valójában nem is melegszünk fel annyira négyzetcentiméterenként. A chipjeink jellemzően 175°C körüli hőmérsékleten működnek, ami nem sokkal magasabb, mint a szilíciumé.
SE: Ezzel a SiC az ASIL D kategóriába kerül az autóipari vagy ipari alkalmazásokhoz, igaz?
Palmour:
SE: Mi a különbség a fizika szintjén?
Palmour: Igen, abszolút: Ez alapvetően annak a definíciója, hogy mennyi energia szükséges ahhoz, hogy egy elektron kiszakadjon a két szilíciumatom közötti kötésből. Tehát 1,1 elektronvolt kell ahhoz, hogy egy elektron kiszakadjon a kötésből. A szilícium-karbid sávhézete 3,2 elektronvolt, tehát háromszor több energiára van szükség. De ez valójában egy exponenciális függvény. A félvezetők sávhézagának sok jellemzője valójában az exponensben van. Háromszor nagyobb a sávszélességünk, de amikor az elektromos átütésről van szó, akkor valójában 10-szer nagyobb az elektromos átütési mezőnk.
SE: Mit jelent ez a valós alkalmazások szempontjából?
Palmour: Ez azt jelenti, hogy ha pontosan ugyanazt a szerkezetet készítjük szilíciumból és szilícium-karbidból – azonos epi-vastagság, azonos adalékolási szint -, akkor a szilícium-karbid változat 10-szer nagyobb feszültséget blokkol, mint a szilícium változat. Készíthetsz MOSFET-et szilíciumból és készíthetsz MOSFET-et szilíciumkarbidból. A szilíciumból készült MOSFET-ek nagyon elterjedtek az alacsony feszültségű tartományban, 10 volt és körülbelül 300 volt között. 300 volt felett a szilícium MOSFET ellenállása nagyon-nagyon nagy lesz, és ez a MOSFET-et nem teszi vonzóvá. Túl drága. Ezért átváltanak bipoláris eszközre. A MOSFET egy unipoláris eszköz, ami azt jelenti, hogy nincsenek kisebbségi hordozók. Csak elektronok áramlanak az eszközben. És ha ez egy unipoláris eszköz, akkor nagyon-nagyon gyorsan tud kapcsolni. Ha megnézünk egy 60 voltos MOSFET-et, az nagyon gyorsan kapcsol, és ezért lehet gigahertzes processzorokat készíteni szilíciumból. Ezek nagyon alacsony feszültségű MOSFET-ek – talán 5 voltosak. De amikor magasabb feszültségre emelkedik a feszültség, akkor bipoláris eszközre kell váltani, ami azt jelenti, hogy az elektronok és az elektronlyukak egyszerre áramlanak az eszközben. És minden egyes kapcsoláskor el kell oszlatni ezeket az elektronokat és lyukakat, amelyek újrakombinálódnak és energiát termelnek. A bipoláris eszköz sokkal kisebb ellenállást és sokkal kisebb, megfizethetőbb chipet biztosít, de minden egyes kapcsoláskor el kell vezetnie a felesleges hőt. Ez a kompromisszum, amit kötni kell. Megfizethető árú teljesítménykapcsolót lehet készíteni, de nem túl hatékony.
1. ábra: SiC MOSFET. Forrás: Cree
SE: Mi a helyzet a SiC-vel?
Palmour: A szilícium-karbidnak tízszer nagyobb a törési mezeje. A 600 voltos MOSFET-ünk ugyanolyan gyors lesz, mint egy 60 voltos szilícium MOSFET. A másik lehetőség, hogy ha azt mondjuk, hogy 600 volt az a feszültség, amelynél a MOSFET-ekről és a szilíciumról átváltunk az IGBT-kre, akkor 10-szer magasabb feszültségen lennénk. Tehát egy MOSFET-et szilícium-karbidban egészen 6000 voltig használna, mielőtt át kellene váltania IGBT-re. A nagy elektromos áttörési mező, amelyet ebből a széles sávszélességből kapunk, lehetővé teszi számunkra, hogy olyan eszköztípust használjunk, amelyet szilíciumban szeretnénk használni, de nem tudunk, mert túlságosan ellenállásos ahhoz, hogy praktikus legyen. Tehát szilíciumkarbidban is elkészíthetjük azt az eszközt, amit valójában szilíciumban akartunk, de a szilícium fizikája miatt nem praktikus ebben a feszültségtartományban.
SE: A szilíciumkarbid ugyanúgy öregszik, mint a szilícium a magasabb feszültség miatt?
Palmour: Ugyanaz. A feszültség nem számít. Az elektromos mező az, ami a feszültségtől függetlenül ugyanaz. A szilíciumkarbid nagyon robusztus, és nem öregszik másképp, mint bármely más félvezető.
SE: Lesz-e méretgazdaságosság, ahogy a SiC-t egyre több helyen alkalmazzák?
Palmour: Palmour: Igen. A termikus megfontolások miatt ez egy kicsit aszimptotikusabb lesz, mint a Moore-törvény, de a költségcsökkentési görbe elején járunk. A 2017 és 2024 közötti időszakban 30-szoros volumennövekedésre számítunk. Ennek hatása lesz.
SE: Vannak olyan korlátozások, amelyek megzavarhatják ezt a volumennövekedést?
Palmour: A szilíciumkarbid homok és szén. A szilícium és a szén a Föld két legnagyobb mennyiségben előforduló eleme. Ez nem olyan, mint az indium-foszfid vagy a hafnium. Én inkább amiatt aggódom, hogy az akkumulátoros elektromos járművek kapnak-e elég lítiumot, és hogy van-e elég ritkaföldfém az állandó mágneses motorokhoz. A félvezetőket elő tudjuk állítani.
SE: Mostanában sokkal nagyobb figyelmet fordítunk az egy csomagban lévő több chipre. Hogyan viselkedik a SiC az ilyen típusú csomagokban? Egyáltalán szükségszerűen ugyanabban a csomagban lenne?
Palmour: Szilícium-karbid teljesítményű eszközök tekintetében három termékcsaládunk van. Az egyik a diszkrét teljesítményű eszközök. Tehát egyetlen MOSFET TO-247-es, vagy egy dióda TO-220-as csomagolásban – csak egy tipikus szabványos diszkrét csomagolásban. Aztán chipeket adunk el más vállalatoknak, amelyek saját csomagolást készítenek, de ezek nagyrészt modulgyártók. Aztán vannak saját moduljaink is. Egy modul több szilícium-karbid MOSFET chipet tartalmaz párhuzamosan, a nagyobb teljesítmény elérése érdekében, egy nagyon egyszerű áramkörben. A leggyakoribb esetekben más, azonos szilícium-karbid chipek vannak a teljesítménymodulban. Tegyük fel, hogy van egy 100 amperes chiped, de szükséged van egy teljesítménymodulra és egy H-híd konfigurációra, amely 600 amper teljesítményt biztosít. Tehát az egyik oldalra hat 100 amperes eszközt, a másik oldalra hat 100 amperes eszközt helyezünk, hogy megkapjuk a H-hidat, majd esetleg néhány kondenzátort vagy ellenállást. Ez ma már a piacon van. A nagy probléma – és amin sokat dolgozunk, és amin sokan dolgoznak az autóiparban – az, hogy ha a chipjeinket egy szabványos szilícium teljesítménymodul-csomagba tennénk, akkor a beépített induktivitások miatt a chipek által elérhető teljesítménynek csak a felét kapnánk. Ezt ahhoz hasonlítanám, mintha egy Ferrari motort tennénk egy VW bogár alvázába.
SE: Ez úgy hangzik, mintha nem illene össze.
Palmour: Palmour: Mi és mások azon dolgozunk, hogyan optimalizáljuk ezt a modult, hogy teljes mértékben kihasználjuk a szilíciumkarbid előnyeit. Egy Ferrari alvázat kell építenünk ahhoz a motorhoz, és ezen dolgoznak a teljesítménymoduloknál. Ami azt illeti, hogy működne-e más chipekkel egy csomagban, a válasz igen. Ma jellemzően a meghajtók és más chipek, amelyek ezt a teljesítménymodult alkotják, egy lapkán vannak. Általában egy külön lapon, közvetlenül a modul mellett, de lehet ugyanabban a modulban is. Ezt intelligens tápegységnek nevezik. De ugyanezt biztosan meg lehet csinálni szilícium-karbidban is.
SE: Mi a helyzet az olyan dolgokkal, mint a zaj és a drift, amelyek egyre nagyobb problémát jelentenek sok tervben? Más a helyzet a SiC esetében?
Palmour: A kérdésnek két része van. Az oxidok stabilitását tekintve a szilíciumkarbidban van némi sodródás. Sok időt töltünk azzal, hogy ezt minimalizáljuk. Ez nem probléma, ha egyszer jól csináljuk. Leginkább a működés idejéről van szó. Alapvetően az első 10 vagy 20 órában elmozdul, majd stabilizálódik. És ha mindent kikapcsolna, újra megtörténne, ezért a megoldás az, hogy ezt a lehető legminimálisabbá tegyük. Ami a zajt illeti, mi nem vagyunk annyira érzékenyek a zajra, mint más chipek. De mivel a szilícium-karbidot olyan magas frekvencián lehet működtetni, és nagyon magas dv/dt és di/dt értékekkel tudunk kapcsolni, valójában zajt okozunk. Nagyon gondosan kell megtervezni az áramköröket, hogy minimalizáljuk a keletkező zaj mértékét.
SE: Segít az árnyékolás?
Palmour: Ez nem annyira az árnyékolásról szól, mint inkább a helyes tervezésről. Szilíciumban a meghajtót egy lábnyira is elhelyezheted, és egy kábelt vezethetsz, és nem nagy ügy. Szilícium-karbidban annyi induktivitásod lenne, hogy úgy csengene, mint egy banshee. A meghajtót nagyon közel kell helyeznie a modulhoz, hogy minimalizálja ezt az induktív csengést és csökkentse a zajt. Minimálisra kell csökkenteni ezeket az induktivitásokat.
SE: Tehát ez a nagy probléma, amivel az RF-tervezők manapság küzdenek, igaz?
Palmour: RF és teljesítménytervezéssel is foglalkozunk. Amikor szilícium-karbidot használsz, ez jobban az RF terület felé tol, mint ahogyan sokan a teljesítményben gondolkodni szoktak. Az RF egy másik világ. A kondenzátorokból ellenállások lesznek, az ellenállásokból kondenzátorok, és minden a feje tetejére áll.
SE: De a SiC-t széles körben használják az RF világban, igaz?
Palmour: Igen, és az RF az üzletágunk másik része. Ott a SiC-t szubsztrátként használjuk. Régebben SiC MESFET-eket (fém-félvezető FET-eket) értékesítettünk RF-eszközökhöz. A Gan RF esetében a Gan RF eszközök 99%-a szilíciumkarbid szubsztráton készül.
Kapcsolódó anyagok
Silíciumkarbid tudásközpont
Topsztorik, különjelentések és még több a SiC-ről
SiC öntödei üzletág alakul ki
Működni fog a gyártás nélküli megközelítés a teljesítmény félvezetők piacán?
MOCVD Vendors Eye New Apps
VCSEL-ek, mini/mikroLED-ek, teljesítmény- és RF-eszközök újabb fellendülést jeleznek ennek a technológiának.
GaN Versus Silicon For 5G
A szilícium még mindig nyer a 6 GHz alatti tartományban, de utána a GaN egyre vonzóbbnak tűnik.