The Ins And Outs Of Silicon Carbide

John Palmour, CTO w Cree, usiadł z Semiconductor Engineering, aby porozmawiać o węgliku krzemu, jak wypada w porównaniu z krzemem, czym się różni z punktu widzenia projektowania i pakowania oraz gdzie jest stosowany. Poniżej znajdują się fragmenty tej rozmowy.

SE: SiC jest dobrze rozumiany w elektronice mocy i RF, ale czy główną zaletą jest możliwość pracy urządzeń w cieplejszych temperaturach niż krzem, czy też oszczędność energii?

Palmour: Celem jest oszczędność energii i obniżenie kosztów systemu. Węglik krzemu oszczędza pieniądze producentów OEM.

SE: Od razu na wstępie?

Palmour: Tak. Na przykład, jeśli powiesz: „Dobra, mogę zastosować węglik krzemu, który jest droższy niż IGBT, ale mogę zaoszczędzić trzy razy tyle na kosztach baterii, to właśnie to robią”. Częściej niż nie są wykorzystywane do kosztów początkowych.

SE: Ale to niekoniecznie jest oszczędność jeden do jednego na materiale. Chodzi bardziej o koszt systemu, prawda?

Palmour: Tak, absolutnie. Węglik krzemu jest droższy niż krzemowe IGBT, a my wygrywamy tam, gdzie uzyskujemy oszczędności na poziomie systemu. To prawie zawsze jest sprzedaż systemowa.

SE: Czy to spowolniło przyjęcie SiC?

Palmour: Trzeba znaleźć zastosowania, w których można zaoszczędzić pieniądze na poziomie systemu. Ale gdy to zrobisz i zaczniesz dostarczać duże ilości produktów, cena spadnie i pojawią się inne zastosowania. W przeszłości czynnikiem ograniczającym był koszt wstępny, ale ludzie zaczynają bardziej zwracać uwagę na koszty systemowe i zdają sobie sprawę, że koszt wstępny z tej perspektywy jest lepszy w przypadku węglika krzemu.

SE: Jak wygląda kwestia dostępności SiC w porównaniu z krzemem?

Palmour: Jeśli jesteś producentem OEM z branży motoryzacyjnej, martwisz się o pojemność, ponieważ wpływ tych konstrukcji motoryzacyjnych będzie powodował, że rynek stanie się dużo większy niż obecnie. Zapewnienie dostaw jest zmartwieniem. Dlatego też Cree ogłosiło liczne umowy na dostawę wafli z innymi firmami, które produkują urządzenia z węglika krzemu. Ogłosiliśmy umowę z Delphi, w ramach której sprzedajemy chipy firmie Delphi, a ona sprzedaje inwerter europejskiemu producentowi OEM. Te sprawy są analizowane i trzeba zablokować dostawy. W przypadku tych długoterminowych umów zakupu musimy wiedzieć, że popyt będzie istniał, zanim zainwestujemy dużo kapitału w moce produkcyjne. W zeszłym roku ogłosiliśmy, że przeznaczymy 1 miliard dolarów na inwestycje kapitałowe, aby znacznie zwiększyć nasze moce produkcyjne w celu zaspokojenia tego zapotrzebowania. Jest to wymagane, a to dopiero początek. Jeśli spojrzeć na liczby dotyczące penetracji rynku pojazdów elektrycznych z bateriami, to jest to dopiero początek.

SE: Czy to wszystko jest 200mm, czy jest to starsza technologia? Większość dzisiejszej produkcji odbywa się na 6-calowych waflach 150 mm. Jest jeszcze trochę na 4-calowych. Budujemy nowy zakład w Nowym Jorku, który będzie zdolny do produkcji 200 mm, ale nie produkujemy obecnie żadnych 200 mm i nie spodziewamy się, że będziemy gotowi na to przez kilka lat. Kiedy 8-calowy będzie gotowy, będziemy mogli go włączyć. Cały sprzęt będzie miał 200 mm, abyśmy mogli szybko przejść na 8-calowy, kiedy nadejdzie właściwy czas. Obecnie w produkcji nie ma 8-calówek.

SE: Czy proces radykalnie różni się od produkcji chipów krzemowych? Czy wykorzystuje się te same narzędzia, których normalnie się używa?

Palmour: Jeśli mówisz o wzroście materiałów, to jest on inny. Wzrost kryształów jest radykalnie inny. Wafelkowanie, polerowanie, epitaksja są zupełnie inne. Ale gdy już wejdzie się do fabryki, to jest to dość standardowe wyposażenie z wyjątkiem dwóch lub trzech procesów, które są mocno dostosowane do węglika krzemu. Podstawowe procesy fabryk są bardzo podobne do krzemowych, a większość wyposażenia clean-room to typowe wyposażenie krzemowe.

SE: A co z testami i kontrolą?

Palmour: Są one dość podobne do krzemowych.

SE: Ponieważ SiC jest eksploatowany w wyższych temperaturach, czy wadliwość jest większym problemem?

Palmour: Powodem, dla którego krzem nie może pracować w bardzo wysokich temperaturach jest to, że z natury zaczyna przewodzić. Przestaje być półprzewodnikiem około 175°C, a w temperaturze 200°C staje się przewodnikiem. W przypadku węglika krzemu temperatura ta jest znacznie wyższa – około 1000°C – więc może on pracować w znacznie wyższych temperaturach. Jednak ze względu na opakowanie nie celujemy w dużo wyższe temperatury niż w przypadku krzemu. Im wyższa temperatura, w której ocenia się opakowanie, tym większa delta T między niską a wysoką temperaturą i tym szybciej opakowanie może ulec degradacji. Nie zamierzamy radykalnie podwyższać temperatury. W rzeczywistości, ponieważ jesteśmy wydajni, nie nagrzewamy się aż tak bardzo w przeliczeniu na centymetr kwadratowy. Nasze chipy osiągają zwykle temperaturę około 175°C, czyli nie dużo wyższą niż krzem.

SE: To stawia SiC w kategorii ASIL D dla zastosowań motoryzacyjnych i przemysłowych, prawda?

Palmour: Tak, absolutnie.

SE: Czym się różni na poziomie fizyki?

Palmour: Krzem ma przerwę pasmową 1,1 elektronowolta, a to jest w zasadzie definicja tego, ile energii potrzeba, aby wyrwać elektron z wiązania pomiędzy dwoma atomami krzemu. Tak więc potrzeba 1,1 elektronowolta, aby wyrwać elektron z tego wiązania. Węglik krzemu ma przerwę w paśmie 3,2 elektronowolta, a więc potrzeba 3 razy więcej energii. Ale tak naprawdę jest to funkcja wykładnicza. Wiele charakterystycznych cech przerwy pasmowej półprzewodników ma swój wykładnik. Mamy trzy razy szersze pasmo przenoszenia, ale jeśli chodzi o przebicie elektryczne, mamy 10 razy wyższe pole przebicia elektrycznego.

SE: Co to oznacza w kontekście rzeczywistych zastosowań? Oznacza to, że jeśli zrobisz dokładnie taką samą strukturę w krzemie i węgliku krzemu – ta sama grubość epi, ten sam poziom domieszkowania – wersja z węglika krzemu zablokuje 10 razy większe napięcie niż wersja krzemowa. Można zrobić MOSFET w krzemie i można zrobić MOSFET w węgliku krzemu. MOSFETy krzemowe są bardzo popularne w obszarze niskich napięć, od 10 V do około 300 V. Powyżej 300 woltów, rezystancja krzemowego MOSFET-a staje się bardzo wysoka i sprawia, że MOSFET staje się nieatrakcyjny. Jest zbyt drogi. Więc to co robią, to przechodzą na urządzenie bipolarne. MOSFET jest urządzeniem unipolarnym, co oznacza, że nie ma nośników mniejszościowych. W urządzeniu płyną tylko elektrony. A kiedy jest to urz±dzenie unipolarne, może się ono przeł±czać bardzo, bardzo szybko. Jeśli spojrzymy na 60-woltowy MOSFET, przełącza się on bardzo szybko, i to właśnie dlatego w krzemie można tworzyć gigahertzowe procesory. Są to MOSFETy o bardzo niskim napięciu – może 5 woltów. Ale kiedy wzrasta napięcie, trzeba przejść do urządzenia bipolarnego, co oznacza, że zarówno elektrony, jak i dziury elektronowe przepływają w urządzeniu w tym samym czasie. I za każdym razem, gdy przełączasz, musisz rozproszyć wszystkie te elektrony i dziury rekombinujące i generujące energię. Urządzenie bipolarne daje znacznie niższą rezystancję i znacznie mniejszy, bardziej przystępny cenowo chip, ale musisz rozpraszać ten nadmiar ciepła przy każdym przełączeniu. To jest kompromis, którego dokonujesz. Można zrobić niedrogi przełącznik zasilania, ale nie jest on bardzo wydajny.


Rys. 1: SiC MOSFET. Źródło: Cree

SE: A może z SiC?

Palmour: Węglik krzemu ma 10-krotnie wyższe pole przebicia. Nasz 600-woltowy MOSFET będzie tak szybki, jak 60-woltowy MOSFET krzemowy. Inny sposób, w jaki można na to spojrzeć, to jeśli powiemy, że 600 woltów to napięcie, przy którym przełączamy się z MOSFET-ów i krzemu na IGBT-y, będziemy mieli 10 razy wyższe napięcie. Tak więc można by używać MOSFETów z węglika krzemu do napięcia 6000 V, zanim trzeba by było przejść na IGBT. Wysokie pole przebicia elektrycznego, które uzyskujemy dzięki szerokiej przerwie pasmowej, pozwala nam na użycie urządzenia, które chcielibyśmy zastosować w krzemie, ale nie możemy, ponieważ jest ono zbyt rezystywne, aby było praktyczne. Więc możesz zrobić urządzenie w węgliku krzemu, które naprawdę chciałbyś mieć w krzemie, ale z powodu fizyki krzemu nie jest to praktyczne w tym zakresie napięcia.

SE: Czy węglik krzemu starzeje się tak samo jak krzem z powodu wyższego napięcia?

Palmour: To jest to samo. Napięcie nie ma znaczenia. Chodzi o pole elektryczne, które jest takie samo niezależnie od napięcia. Węglik krzemu jest bardzo wytrzymały i nie starzeje się inaczej niż jakikolwiek inny półprzewodnik.

SE: Czy wystąpi efekt skali, gdy SiC będzie wykorzystywany w większej liczbie miejsc?

Palmour: Tak. Będzie to trochę bardziej asymptotyczne niż prawo Moore’a ze względu na uwarunkowania termiczne, ale zdecydowanie znajdujemy się na początku krzywej spadku kosztów. Od 2017 do 2024 roku spodziewamy się 30-krotnego wzrostu objętości. To będzie miało wpływ.

SE: Jakieś ograniczenia, które mogłyby zakłócić ten wzrost objętości?

Palmour: Węglik krzemu to piasek i węgiel. Krzem i węgiel to dwa z najobficiej występujących pierwiastków na ziemi. To nie jest jak fosforek indu czy hafn. Bardziej martwię się o to, czy pojazdy elektryczne na baterie mogą uzyskać wystarczającą ilość litu i czy jest wystarczająco dużo pierwiastków ziem rzadkich, aby wykonać silniki z magnesami stałymi. Możemy produkować półprzewodniki.

SE: Obecnie coraz więcej uwagi poświęcamy wielu układom scalonym w jednym opakowaniu. Jak zachowuje się SiC w tego typu pakietach? Czy koniecznie musi być w tym samym opakowaniu?

Palmour: Jeśli chodzi o urządzenia zasilające z węglika krzemu, mamy trzy linie produktów. Jedna z nich to dyskretne urządzenia zasilające. Jest to więc pojedynczy MOSFET w opakowaniu TO-247 lub dioda w opakowaniu TO-220 – typowe standardowe opakowanie dyskretne. Następnie sprzedajemy chipy innym firmom, które robią swoje własne opakowania, ale w większości są to producenci modułów. A my mamy własne moduły. Moduł zawiera wiele układów MOSFET z węglika krzemu połączonych równolegle, aby uzyskać większą moc, w bardzo prostym obwodzie. W najczęstszych przypadkach są to inne identyczne chipy z węglika krzemu w tym module zasilania. Powiedzmy, że masz 100-amperowy chip, ale potrzebujesz modułu mocy i konfiguracji mostka H, która da ci 600 amperów. Umieścilibyśmy więc sześć 100-amperowych urządzeń po jednej stronie, sześć 100-amperowych urządzeń po drugiej stronie, aby uzyskać mostek H, a następnie może kilka kondensatorów lub rezystorów. Takie rozwiązania są obecnie dostępne na rynku. Duży problem – nad którym pracujemy i nad którym pracuje wielu ludzi zajmujących się motoryzacją – polega na tym, że gdyby wrzucić nasze układy do standardowego krzemowego modułu zasilania, otrzymalibyśmy tylko połowę wydajności, jaką układy te mogłyby zapewnić ze względu na wbudowane indukcyjności. Porównałbym to do wrzucenia silnika Ferrari do podwozia VW buga.

SE: To brzmi jak niedopasowanie.

Palmour: My i inni pracujemy nad tym, jak zoptymalizować ten moduł, aby w pełni wykorzystać węglik krzemu. Musimy zbudować podwozie Ferrari dla tego silnika, i właśnie nad tym pracujemy w modułach mocy. Jeśli chodzi o to, czy będzie on współpracował z innymi chipami w pakiecie, odpowiedź brzmi: tak. Zazwyczaj dziś sterowniki i inne układy, które tworzą moduł zasilania, znajdują się na jednej płytce. Zazwyczaj jest to osobna płytka umieszczona tuż obok tego modułu, ale może być w tym samym module. Nazywa się to inteligentnym modułem zasilania. Ale zdecydowanie można zrobić to samo w węgliku krzemu.

SE: A co z takimi rzeczami jak szumy i dryf, które są coraz większym problemem w wielu konstrukcjach? Czy jest inaczej w przypadku SiC?

Palmour: Istnieją dwie części tego pytania. Jeśli chodzi o stabilność tlenków, w węgliku krzemu występuje pewien dryf. Spędzamy dużo czasu pracując nad tym, aby go zminimalizować. Nie jest to problem, gdy się go dobrze opanuje. Chodzi głównie o czas działania. W zasadzie przesunie się w ciągu pierwszych 10 lub 20 godzin, a potem się ustabilizuje. A jeśli wszystko wyłączysz, to znowu się to stanie, więc rozwiązaniem jest sprawienie, by było to jak najmniejsze. Jeśli chodzi o szumy, nie jesteśmy tak podatni na nie, jak inne chipy. Ale ponieważ węglik krzemu może pracować przy tak wysokich częstotliwościach i może przełączać się przy naprawdę wysokich wartościach dv/dt i di/dt, w rzeczywistości tworzymy szumy. Musisz bardzo dokładnie zaprojektować swój obwód, aby zminimalizować ilość generowanego szumu.

SE: Czy ekranowanie pomaga?

Palmour: Tak naprawdę to nie jest ekranowanie tak bardzo, jak to jest uzyskanie właściwego projektu. W krzemie, możesz umieścić sterownik w odległości jednej stopy i poprowadzić kabel i nie ma z tym większego problemu. W węgliku krzemu miałbyś tak dużą indukcyjność, że dzwoniłoby to jak banshee. Musisz umieścić sterownik bardzo blisko modułu, aby zminimalizować to indukcyjne dzwonienie i zredukować szumy. Musisz utrzymać te indukcyjności na minimalnym poziomie.

SE: Więc to jest wielki problem, z którym borykają się dziś projektanci RF, prawda?

Palmour: Tak, a my zajmujemy się zarówno RF jak i zasilaniem. Kiedy używasz węglika krzemu, to pcha cię to bardziej w stronę sfery RF niż wielu ludzi z branży energetycznej przywykło myśleć. RF to inny świat. Kondensatory stają się rezystorami, rezystory stają się kondensatorami i wszystko wywraca się do góry nogami.

SE: Ale SiC był szeroko wykorzystywany w świecie RF, prawda?

Palmour: Tak, a RF to druga część naszej działalności. Tam używamy SiC jako substratu. Kiedyś sprzedawaliśmy SiC MESFETs (Metal-Semiconductor FETs) do urządzeń RF. Dla Gan RF, 99% urządzeń Gan RF jest wykonywanych na podłożu z węglika krzemu.

Powiązane materiały
Centrum wiedzy o węgliku krzemu
Najważniejsze historie, raporty specjalne i więcej o SiC
Wyłania się biznes odlewniczy SiC
Czy podejście fabless sprawdzi się na rynku półprzewodników mocy?
MOCVD Vendors Eye New Apps
VCSELs, mini/microLEDs, power and RF devices point to another boom for this technology.
GaN Versus Silicon For 5G
Krzem wciąż wygrywa w zakresie częstotliwości poniżej 6 GHz, ale po tym GaN wygląda coraz bardziej atrakcyjnie.

Więcej o

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.