John Palmour, CTO bij Cree, heeft met Semiconductor Engineering gesproken over siliciumcarbide, hoe het zich verhoudt tot silicium, wat er anders is vanuit het oogpunt van ontwerp en verpakking, en waar het wordt gebruikt. Wat volgt zijn uittreksels van dat gesprek.
SE: SiC is goed bekend in vermogenselektronica en RF, maar is het belangrijkste voordeel de mogelijkheid om apparaten heter te laten werken dan silicium, of is het om energie te besparen?
Palmour: Het doel is om energie te besparen en de systeemkosten te verlagen. Siliciumcarbide bespaart de OEM geld.
SE: Recht van voren?
Palmour: Ja. Als je bijvoorbeeld zegt: ‘Oké, ik kan er siliciumcarbide in doen, dat is duurder dan een IGBT, maar ik kan drie keer zoveel besparen op de batterijkosten, dat is wat ze doen.’ Vaker wel dan niet gebruikt voor upfront kosten.
SE: Maar dat is niet noodzakelijkerwijs een één-op-één besparing op materiaal. Het gaat meer om de systeemkosten, toch?
Palmour: Ja, absoluut. Siliciumcarbide is duurder dan silicium IGBT’s, en de plaatsen waar we onze winsten behalen, is waar ze de besparingen op systeemniveau realiseren. It’s almost always a system sell.
SE: Has that slowed the adoption of SiC?
Palmour: Je moet de toepassingen vinden waar je op systeemniveau geld bespaart. Maar als je dat doet en je begint volumes te verschepen, daalt de prijs en komen er andere toepassingen beschikbaar. In het verleden waren de aanloopkosten de beperkende factor, maar de mensen beginnen nu veel meer naar de systeemkosten te kijken en beseffen dat de aanloopkosten vanuit dat oogpunt beter zijn bij siliciumcarbide.
SE: Hoe zit het met de beschikbaarheid van SiC tegenover silicium?
Palmour: Als je een OEM voor de auto-industrie bent, maak je je wel zorgen over de capaciteit, want de impact van deze auto-ontwerpen zal zijn dat de markt veel groter wordt dan hij nu is. Zekerheid van levering is een zorg. Daarom heeft Cree talrijke waferleveringsovereenkomsten aangekondigd met andere bedrijven die siliciumcarbide-apparaten maken. We hebben een aankondiging gedaan met Delphi, waar we chips verkopen aan Delphi en zij verkopen een omvormer aan een Europese OEM. Deze zaken worden bekeken en je moet de levering vastleggen. Bij deze langlopende koopovereenkomsten moeten we weten dat er vraag zal zijn voordat we veel kapitaal investeren in capaciteit. We hebben vorig jaar aangekondigd dat we 1 miljard dollar aan kapitaalinvesteringen zullen doen om onze capaciteit sterk te verhogen om aan deze behoefte te voldoen. Dat is nodig, en het is nog maar een begin. Als je de cijfers over de penetratie van batterij-elektrische voertuigen op de totale automarkt, dit is nog maar het begin.
SE: Is dit allemaal 200mm, of is het oudere technologie?
Palmour: Het grootste deel van alle productie vandaag is op 150mm 6-inch wafers. Er is nog wat op 4-inch. Wij bouwen een nieuwe fabriek in New York die geschikt zal zijn voor 200 mm, maar wij produceren nu nog geen 200 mm en verwachten daar pas over enkele jaren klaar voor te zijn. Als 8-inch klaar is, kunnen we het aanzetten. De apparatuur zal allemaal 200mm zijn zodat we snel kunnen overschakelen op 8-inch wanneer de tijd rijp is. Op dit moment is er nog geen 8-inch in productie.
SE: Is het proces radicaal anders dan bij de fabricage van siliciumchips? Gebruikt het dezelfde gereedschappen die je normaal zou gebruiken?
Palmour: Als je het hebt over materiaalgroei, dan is het anders. Kristalgroei is radicaal anders. Wafering, polijsten, epitaxie zijn allemaal heel verschillend. Maar als je eenmaal in de fabriek bent, is het vrij standaardapparatuur met uitzondering van twee of drie processen, die sterk zijn afgestemd op siliciumcarbide. De fundamentele fabricageprocessen zijn zeer siliciumachtig, en het grootste deel van de cleanroomapparatuur is typische siliciumapparatuur.
SE: En hoe zit het met de test- en inspectiekant?
Palmour: Die zijn redelijk vergelijkbaar met silicium.
SE: Omdat SiC bij hogere temperaturen wordt gebruikt, is defectiviteit dan een groter probleem?
Palmour: De reden waarom silicium niet tot zeer hoge temperaturen kan gaan, is dat het intrinsiek begint te geleiden. Rond 175°C is het geen halfgeleider meer, en bij 200°C wordt het een geleider. Voor siliciumcarbide ligt die temperatuur veel hoger – ongeveer 1.000°C – zodat het bij veel hogere temperaturen kan werken. Maar we mikken niet op veel hogere temperaturen dan silicium vanwege de verpakking. Hoe hoger de temperatuur waarbij je je verpakking beoordeelt, hoe groter de delta T tussen lage en hoge temperatuur en hoe sneller je verpakking kan degraderen. Wij gaan niet voor radicaal hogere temperaturen. En omdat we efficiënt zijn, worden we niet zo heet per vierkante centimeter. Onze chips worden meestal zo’n 175°C, wat niet veel hoger is dan silicium.
SE: Daarmee valt SiC in de ASIL D-categorie voor auto- of industriële toepassingen, toch?
Palmour: Ja, absoluut.
SE: Wat is er op natuurkundig niveau anders?
Palmour: Silicium heeft een bandkloof van 1,1 elektronvolt, en dat is in feite de definitie van hoeveel energie er nodig is om een elektron uit de binding tussen twee siliciumatomen te rukken. Er is dus 1,1 elektronvolt nodig om een elektron uit die binding te rukken. Siliciumcarbide heeft een bandkloof van 3,2 elektronvolt, en dus is er drie keer zoveel energie voor nodig. Maar het is eigenlijk een exponentiële functie. Veel van de kenmerken van halfgeleiders bandkloof zijn eigenlijk in de exponent. We hebben een driemaal bredere bandgap, maar als het op elektrische afbraak aankomt, hebben we in feite een tienmaal hoger elektrisch afbraakveld.
SE: Wat betekent dat in termen van real-world toepassingen?
Palmour: Het betekent dat als je exact dezelfde structuur maakt in silicium en siliciumcarbide – dezelfde epi-dikte, hetzelfde dopingniveau – de siliciumcarbide versie 10 keer meer spanning zal blokkeren dan de silicium versie. Je kunt een MOSFET in silicium maken en je kunt een MOSFET in siliciumcarbide maken. MOSFET’s in silicium zijn heel gebruikelijk in het laagspanningsgebied, van 10 volt tot ongeveer 300 volt. Boven 300 volt wordt de weerstand van een silicium MOSFET erg hoog en dat maakt de MOSFET onaantrekkelijk. Hij is te duur. Dus gaan ze over op een bipolair apparaat. Een MOSFET is een unipolair apparaat, wat betekent dat er geen minderheidsdragers zijn. Er stromen alleen elektronen in het apparaat. En wanneer het een unipolair apparaat is, kan het zeer, zeer snel schakelen. Als je kijkt naar een MOSFET van 60 volt, dan schakelt hij heel snel, en dat is de reden waarom je gigahertz-processoren in silicium kunt maken. Het zijn zeer lage voltage MOSFETs – misschien 5 volt. Maar als de spanning hoger wordt, moet je overgaan op een bipolair apparaat, wat betekent dat er tegelijkertijd zowel elektronen als elektrongaten in het apparaat stromen. En telkens als u schakelt, moet u al die elektronen en gaten afvoeren die recombineren en energie produceren. Het bipolaire apparaat geeft je een veel lagere weerstand en een veel kleinere, meer betaalbare chip, maar je moet die overtollige warmte afvoeren telkens als je schakelt. Dat is de afweging die je maakt. Je kunt een betaalbare vermogensschakelaar maken, maar hij is niet erg efficiënt.
Fig. 1: SiC MOSFET. Bron: Cree
SE: Hoe zit het met SiC?
Palmour: Siliciumcarbide heeft een 10 maal hoger doorslagveld. Onze 600-volt MOSFET zal even snel zijn als een 60-volt silicium MOSFET. De andere manier om ernaar te kijken is dat als je zegt dat 600 volt het voltage is waarbij je van MOSFET’s en silicium overschakelt op IGBT’s, wij op een 10 keer hoger voltage zouden zitten. Je zou dus een MOSFET in siliciumcarbide gebruiken tot 6.000 volt voordat je moet overschakelen op een IGBT. Het hoge elektrische doorslagveld dat we door deze brede bandkloof krijgen, stelt ons in staat het apparaattype te gebruiken dat je in silicium zou willen gebruiken, maar dat niet kan omdat het te resistief is om het praktisch te maken. Dus je kunt het apparaat in siliciumcarbide maken dat je eigenlijk in silicium zou willen, maar door de fysica van silicium is het niet praktisch in dat spanningsbereik.
SE: Veroudert siliciumcarbide hetzelfde als silicium door de hogere spanning?
Palmour: Het is hetzelfde. De spanning doet er niet toe. Het is het elektrische veld, dat hetzelfde is ongeacht het voltage. Siliciumcarbide is zeer robuust en veroudert niet anders dan andere halfgeleiders.
SE: Zullen er schaalvoordelen zijn naarmate SiC op meer plaatsen wordt gebruikt?
Palmour: Ja. Het zal iets asymptotischer zijn dan de Wet van Moore vanwege de thermische overwegingen, maar we zijn zeker vroeg in de kostenverlagingscurve. Van 2017 tot 2024 verwachten we dat het volume met 30X zal toenemen. Dat zal een impact hebben.
SE: Zijn er beperkingen die die volumetoename kunnen verstoren?
Palmour: Siliciumcarbide is zand en steenkool. Silicium en koolstof zijn twee van de meest overvloedige elementen op aarde. Het is niet zoals indiumfosfide of hafnium. Ik maak me meer zorgen over de vraag of elektrische voertuigen met accu’s genoeg lithium kunnen krijgen, en of er genoeg zeldzame aardmetalen zijn voor de permanente magneetmotoren. We kunnen de halfgeleiders maken.
SE: Er is nu veel meer aandacht voor meerdere chips in een pakket. Hoe gedraagt SiC zich in dat soort pakketten? Moet het zelfs per se in dezelfde verpakking zitten?
Palmour: In termen van siliciumcarbide power devices, hebben we drie productlijnen. Een daarvan is discrete power devices. Het gaat dus om een enkele MOSFET in een TO-247, of een diode in een TO-220 pakket – gewoon een typische standaard discrete verpakking. En dan verkopen we chips aan andere bedrijven die hun eigen verpakking maken, maar dat zijn over het algemeen modulebouwers. En dan hebben we onze eigen modules. Een module bestaat uit meerdere MOSFET-chips van siliciumcarbide in parallel, om meer vermogen te krijgen, in een zeer eenvoudige schakeling. In de meest voorkomende gevallen zijn het andere identieke siliciumcarbide chips in die vermogensmodule. Stel dat je een chip van 100 ampère hebt, maar je hebt een vermogensmodule en een H-brugconfiguratie nodig die je 600 ampère oplevert. Dan zet je zes apparaten van 100 ampère aan de ene kant, zes apparaten van 100 ampère aan de andere kant om je die H-brug te geven, en dan misschien nog wat condensatoren of wat weerstanden. Dat is vandaag de dag op de markt. Het grote probleem – en waar wij veel aan werken en waar veel van de mensen die aan auto’s werken aan werken – is dat als je onze chips in een standaard silicium power module pakket zou stoppen, je maar de helft van de prestaties zou krijgen die de chips je zouden kunnen geven vanwege de ingebouwde inducties. Ik zou het vergelijken met het plaatsen van een Ferrari-motor in een VW-bugchassis.
SE: Dat klinkt als een mismatch.
Palmour: Waar wij en anderen aan werken is hoe we die module kunnen optimaliseren om optimaal te profiteren van siliciumcarbide. We moeten een Ferrari-chassis voor die motor bouwen, en daar wordt aan gewerkt in de vermogensmodules. Op de vraag of het met andere chips in een pakket zou werken, is het antwoord ja. Tegenwoordig zitten de drivers en andere chips die samen een powermodule vormen meestal op een printplaat. Meestal zitten ze op een aparte printplaat die naast de module is geplaatst, maar ze kunnen ook in dezelfde module zitten. Dat wordt een intelligente voedingsmodule genoemd. Maar je kunt zeker hetzelfde doen in siliciumcarbide.
SE: Hoe zit het met zaken als ruis en drift, die in veel ontwerpen steeds grotere problemen vormen? Is dat anders met SiC?
Palmour: Er zijn twee delen aan die vraag. Wat de stabiliteit van de oxiden betreft, is er enige drift in siliciumcarbide. We besteden veel tijd aan het minimaliseren daarvan. Het is geen probleem als je het eenmaal goed hebt. Het gaat vooral om de werkingsduur. Het verschuift in principe in de eerste 10 of 20 uur, en daarna stabiliseert het zich. En als je alles uit zou zetten zou het weer gebeuren, dus de oplossing is om dat zo minimaal mogelijk te maken. Wat lawaai betreft, zijn we niet zo gevoelig voor lawaai als andere chips. Maar omdat siliciumcarbide bij zulke hoge frequenties kan werken, en kan schakelen bij zeer hoge dv/dt en di/dt, creëren we wel degelijk ruis. Je moet je schakelingen heel zorgvuldig ontwerpen om de hoeveelheid ruis die je produceert tot een minimum te beperken.
SE: Helpt afscherming?
Palmour: Het gaat niet zozeer om de afscherming, maar om een goed ontwerp. In silicium kun je de driver op een meter afstand zetten en een kabel doorvoeren en dan is er niets aan de hand. In siliciumcarbide zou je zoveel inductantie hebben dat het zou klinken als een banshee. Je moet de driver heel dicht bij de module plaatsen om die inductieve rinkeling te minimaliseren en ruis te verminderen. Je moet die inducties minimaal houden.
SE: Dus dit gaat in op het grote probleem waar RF-ontwerpers vandaag de dag mee te maken hebben, toch?
Palmour: Juist, en we doen zowel RF en macht. Als je siliciumcarbide gebruikt, duwt dat je meer in de richting van het RF-gebied dan veel mensen in de vermogenssector gewend zijn te denken. RF is een andere wereld. Condensatoren worden weerstanden, weerstanden worden condensatoren, en alles komt op zijn kop te staan.
SE: Maar SiC is toch al veel gebruikt in de RF-wereld?
Palmour: Ja, en RF is het andere deel van onze business. Daar gebruiken we SiC als substraat. Vroeger verkochten wij SiC MESFET’s (metaal-halfgeleider FET’s) voor RF-apparaten. Voor Gan RF worden 99% van de Gan RF-apparaten gebruikt op een siliciumcarbidesubstraat.
Gerelateerde materialen
Siliciumcarbide Kenniscentrum
Topverhalen, speciale rapporten en meer over SiC
SiC-gieterijbusiness komt op
Wordt een fabless-aanpak een succes op de markt voor vermogenssemi?
MOCVD-leveranciers richten zich op nieuwe toepassingen
VCSEL’s, mini-/microLED’s, vermogen- en RF-apparaten wijzen op een nieuwe boom voor deze technologie.
GaN Versus Silicon For 5G
Silicon wint nog steeds in sub-6 GHz, maar daarna lijkt GaN steeds aantrekkelijker.