John Palmour, CTO la Cree, a stat de vorbă cu Semiconductor Engineering pentru a vorbi despre carbura de siliciu, cum se compară cu siliciul, ce este diferit din punct de vedere al proiectării și ambalării și unde este folosită. Ceea ce urmează sunt extrase din această conversație.
SE: SiC este bine cunoscut în electronica de putere și RF, dar principalul avantaj este capacitatea de a face să funcționeze dispozitivele la temperaturi mai ridicate decât siliciul, sau este vorba de a economisi energie?
Palmour: Scopul este de a economisi energie și de a reduce costurile sistemului. Carbura de siliciu economisește bani pentru producătorii de echipamente originale.
SE: Chiar de la început?
Palmour: Da. De exemplu, dacă spuneți: „Bine, pot să pun carbură de siliciu, care este mai scumpă decât un IGBT, dar pot economisi de trei ori mai mult decât costul bateriei, asta fac”. De cele mai multe ori fiind folosite pentru costurile inițiale.
SE: Dar asta nu este neapărat o economie de unu la unu la materiale. Este vorba mai mult de costul sistemului, nu-i așa?
Palmour: Da, absolut. Carbura de siliciu este mai scumpă decât IGBT-urile din siliciu, iar locurile în care obținem victorii este acolo unde se realizează economii la nivel de sistem. Este aproape întotdeauna o vânzare de sistem.
SE: A încetinit acest lucru adoptarea SiC?
Palmour: Trebuie să găsiți aplicațiile în care economisiți bani la nivel de sistem. Dar, pe măsură ce faci asta și începi să livrezi volume, prețul scade și începi să deschizi alte aplicații. În trecut, factorul limitativ era costul inițial, dar oamenii încep să se uite mult mai mult la costurile sistemului și își dau seama că, din acest punct de vedere, costul inițial este mai bun cu carbura de siliciu.
SE: Cum rămâne cu disponibilitatea SiC față de siliciu?
Palmour: Dacă sunteți un OEM din domeniul auto, vă faceți griji cu privire la capacitate, deoarece impactul acestor modele auto va fi acela de a face ca piața să devină mult mai mare decât este în prezent. Asigurarea aprovizionării este o preocupare. Acesta este motivul pentru care Cree a anunțat numeroase acorduri de furnizare de wafere cu alte companii care produc dispozitive din carbură de siliciu. Am făcut un anunț cu Delphi, prin care noi vindem cipuri către Delphi, iar ei vând un invertor unui OEM european. Aceste lucruri sunt analizate și trebuie să vă asigurați aprovizionarea. În cazul acestor acorduri de achiziție pe termen lung, trebuie să știm că va exista cerere înainte de a investi mult capital pentru capacitate. Am anunțat anul trecut că vom adăuga 1 miliard de dolari în CapEx pentru a ne crește considerabil capacitatea de a răspunde acestei nevoi. Este necesar și este doar un început. Dacă faceți calculele cu privire la penetrarea vehiculelor electrice cu baterii pe piața globală a vehiculelor, acesta este doar începutul.
SE: Toate acestea sunt de 200 mm, sau sunt tehnologii mai vechi?
Palmour: Cea mai mare parte a întregii producții de astăzi este pe plachete de 150 mm și 6 inci. Mai există încă ceva pe 4 inch. Construim o nouă fabrică în New York care va fi capabilă de 200 mm, dar nu producem niciun 200 mm în prezent și nu ne așteptăm să fim pregătiți pentru asta decât peste câțiva ani. Când 8 inci va fi gata, vom putea să o pornim. Toate echipamentele vor fi de 200 mm, astfel încât să putem trece rapid la 8 inch atunci când va fi momentul potrivit. Nu există niciun 8 inci în producție în prezent.
SE: Este procesul radical diferit de cel de fabricare a cipurilor de siliciu? Folosește aceleași instrumente pe care le folosiți în mod normal?
Palmour: Dacă vă referiți la creșterea materialelor, este diferit. Creșterea cristalelor este radical diferită. Plachetarea, lustruirea, epitaxia sunt toate foarte diferite. Dar odată ce intrați în fabrică, este un echipament destul de standard, cu excepția a două sau trei procese, care sunt puternic adaptate la carbura de siliciu. Procesele fundamentale ale fabricii sunt foarte asemănătoare cu cele ale siliciului, iar cea mai mare parte a echipamentelor din camera curată sunt echipamente tipice pentru siliciu.
SE: Dar pe partea de testare și inspecție?
Palmour: Acestea sunt destul de asemănătoare cu cele din siliciu.
SE: Deoarece SiC este rulat la temperaturi mai ridicate, defectivitatea este o problemă mai mare?
Palmour: Motivul pentru care siliciul nu poate ajunge la temperaturi foarte ridicate este că, în mod intrinsec, începe să conducă. Încetează cu adevărat să mai fie un semiconductor în jurul valorii de 175°C, iar la 200°C devine un conductor. Pentru carbura de siliciu, această temperatură este mult mai mare – aproximativ 1.000°C – astfel încât poate funcționa la temperaturi mult mai ridicate. Dar noi nu vizăm temperaturi mult mai ridicate decât cele ale siliciului din cauza ambalajului. Cu cât este mai mare temperatura la care vă evaluați ambalajul, cu atât mai mare este delta T între temperatura scăzută și cea ridicată și cu atât mai repede se poate degrada ambalajul. Nu urmărim o temperatură radical mai ridicată. Și, de fapt, pentru că suntem eficienți, nu ajungem la temperaturi atât de ridicate pe centimetru pătrat. Cipurile noastre au de obicei o temperatură de aproximativ 175°C, care nu este cu mult mai mare decât cea a siliciului.
SE: Acest lucru plasează SiC în categoria ASIL D pentru aplicații auto sau industriale, nu-i așa?
Palmour: Da, absolut.
SE: Ce este diferit la nivel de fizică?
Palmour: Siliciul are o bandă interzisă de 1,1 electronvolți, iar aceasta este practic definiția cantității de energie necesară pentru a smulge un electron din legătura dintre doi atomi de siliciu. Deci este nevoie de 1,1 electronvolți pentru a smulge un electron din acea legătură. Carbura de siliciu are o bandă interzisă de 3,2 electronvolți, ceea ce înseamnă că este nevoie de o energie de 3 ori mai mare. Dar, de fapt, este o funcție exponențială. O mare parte din caracteristicile benzii interzise a semiconductorilor se află de fapt în exponent. Avem o bandă interzisă de trei ori mai mare, dar atunci când vine vorba de rupere electrică avem de fapt un câmp de rupere electrică de 10 ori mai mare.
SE: Ce înseamnă acest lucru în ceea ce privește aplicațiile din lumea reală?
Palmour: Înseamnă că dacă faceți exact aceeași structură în siliciu și carbură de siliciu – aceeași grosime de epi, același nivel de dopaj – versiunea cu carbură de siliciu va bloca de 10 ori mai multă tensiune decât versiunea cu siliciu. Puteți face un MOSFET din siliciu și puteți face un MOSFET din carbură de siliciu. MOSFET-urile din siliciu sunt foarte frecvente în regiunea de joasă tensiune, de la 10 volți până la aproximativ 300 de volți. Peste 300 de volți, rezistența unui MOSFET din siliciu devine foarte, foarte mare, ceea ce face ca MOSFET-ul să devină neatractiv. Este prea scump. Așa că ceea ce fac ei este să treacă la un dispozitiv bipolar. Un MOSFET este un dispozitiv unipolar, ceea ce înseamnă că nu există purtători minoritari. Există doar electroni care circulă în dispozitiv. Și când este un dispozitiv unipolar, poate comuta foarte, foarte repede. Dacă vă uitați la un MOSFET de 60 de volți, acesta comută foarte repede, iar acesta este motivul pentru care se pot face procesoare de gigahertzi în siliciu. Sunt MOSFET-uri de foarte joasă tensiune – poate 5 volți. Dar când urci mai sus în tensiune trebuie să treci la un dispozitiv bipolar, ceea ce înseamnă că atât electronii, cât și găurile de electroni circulă în dispozitiv în același timp. Și de fiecare dată când comutați, trebuie să disipați toți acești electroni și găuri care se recombină și generează energie. Dispozitivul bipolar vă oferă o rezistență mult mai mică și un cip mult mai mic și mai accesibil, dar trebuie să disipați acel exces de căldură de fiecare dată când comutați. Acesta este compromisul pe care îl faceți. Puteți face un comutator de putere accesibil, dar nu este foarte eficient.
Fig. 1: MOSFET SiC. Sursa: Cree
SE: Ce ziceți de SiC?
Palmour: Carbura de siliciu are un câmp de rupere de 10 ori mai mare. MOSFET-ul nostru de 600 de volți va fi la fel de rapid ca un MOSFET de siliciu de 60 de volți. Celălalt mod de a privi lucrurile este dacă spunem că 600 de volți este tensiunea la care se trece de la MOSFET-uri și siliciu la IGBT-uri, am fi la o tensiune de 10 ori mai mare. Așadar, ați putea folosi un MOSFET din carbură de siliciu până la 6.000 de volți înainte de a trece la un IGBT. Câmpul electric de rupere ridicat pe care îl obținem din această bandă interzisă largă ne permite să folosim tipul de dispozitiv pe care am dori să îl folosim în siliciu, dar nu se poate pentru că este prea rezistiv pentru a fi practic. Așadar, puteți realiza în carbură de siliciu dispozitivul pe care l-ați dori cu adevărat în siliciu, dar din cauza fizicii siliciului nu este practic în acest interval de tensiune.
SE: Carbura de siliciu îmbătrânește la fel ca siliciul din cauza tensiunii mai mari?
Palmour: Este la fel. Tensiunea nu contează. Este vorba de câmpul electric, care este același indiferent de tensiune. Carbura de siliciu este foarte robustă și nu îmbătrânește în mod diferit față de orice alt semiconductor.
SE: Vor exista economii de scară pe măsură ce SiC va fi utilizat în mai multe locuri?
Palmour: Da. Va fi un pic mai asimptotic decât Legea lui Moore din cauza considerentelor termice, dar suntem cu siguranță la începutul curbei de reducere a costurilor. Din 2017 până în 2024, ne așteptăm ca volumul să crească de 30 de ori. Acest lucru va avea un impact.
SE: Există constrângeri care ar putea perturba această creștere a volumului?
Palmour: Carbura de siliciu este nisip și cărbune. Siliciul și carbonul sunt două dintre cele mai abundente elemente de pe pământ. Nu este ca fosfura de indiu sau hafniu. Mă îngrijorează mai mult dacă vehiculele electrice cu baterii pot obține suficient litiu și dacă există suficiente pământuri rare pentru a face motoarele cu magneți permanenți. Putem face semiconductorii.
SE: Acum vedem o atenție mult mai mare concentrată pe mai multe cipuri într-un pachet. Cum se comportă SiC în aceste tipuri de pachete? Ar fi neapărat chiar în același pachet?
Palmour: În ceea ce privește dispozitivele de putere din carbură de siliciu, avem trei linii de produse. Una este cea a dispozitivelor de putere discrete. Deci este un singur MOSFET într-un TO-247, sau o diodă într-un pachet TO-220 – doar un pachet discret standard tipic. Apoi vindem cipuri altor companii care își vor face propriul ambalaj, dar în general aceștia sunt producători de module. Și apoi avem propriile noastre module. Un modul include mai multe cipuri MOSFET din carbură de siliciu în paralel, pentru a obține mai multă putere, într-un circuit foarte simplu. În cele mai frecvente cazuri, în acel modul de putere sunt alte cipuri identice din carbură de siliciu. Să spunem că aveți un cip de 100 de amperi, dar aveți nevoie de un modul de alimentare și de o configurație de punte H care să vă ofere 600 de amperi. Așadar, ați pune șase dispozitive de 100 de amperi pe o parte, șase dispozitive de 100 de amperi pe cealaltă parte pentru a obține acea punte în H și apoi poate niște condensatori sau niște rezistențe. Acest lucru se găsește astăzi pe piață. Marea problemă – la care lucrăm foarte mult și la care lucrează mulți dintre cei care lucrează în domeniul auto – este că, dacă ar fi să introduceți cipurile noastre într-un pachet standard de module de alimentare din siliciu, ați obține doar jumătate din performanța pe care ar putea-o oferi cipurile, din cauza inductanțelor încorporate. Aș echivala acest lucru cu introducerea unui motor Ferrari într-un șasiu de VW Bug.
SE: Sună ca o nepotrivire.
Palmour: Ceea ce noi și alții lucrăm este cum să optimizăm acel modul pentru a profita pe deplin de carbura de siliciu. Trebuie să construim un șasiu Ferrari pentru acel motor și la asta se lucrează în modulele de putere. În ceea ce privește dacă ar putea funcționa cu alte cipuri într-un pachet, răspunsul este da. În mod obișnuit, în prezent, driverele și alte cipuri care alcătuiesc acest modul de putere se află pe o placă. De obicei, se află pe o placă separată plasată chiar lângă acel modul, dar ar putea fi în același modul. Se numește modul de alimentare inteligent. Dar, cu siguranță, puteți face același lucru în carbură de siliciu.
SE: Cum rămâne cu lucruri precum zgomotul și deriva, care sunt probleme din ce în ce mai mari în multe proiecte? Este ceva diferit cu SiC?
Palmour: Există două părți la această întrebare. În ceea ce privește stabilitatea oxizilor, există o oarecare derivă în carbura de siliciu. Petrecem mult timp lucrând la acest aspect pentru a-l minimiza. Nu este o problemă odată ce o faci bine. De fapt, este vorba mai ales de timpul de funcționare. Practic, se va deplasa în primele 10 sau 20 de ore, iar apoi se va stabiliza. Și dacă ai opri totul s-ar întâmpla din nou, așa că soluția este să faci ca acest lucru să fie cât mai mic posibil. În ceea ce privește zgomotul, nu suntem atât de sensibili la zgomot precum alte cipuri. Dar pentru că carbura de siliciu poate fi operată la frecvențe atât de înalte și poate comuta la dv/dt și di/dt foarte mari, noi chiar creăm zgomot. Trebuie să faceți proiectarea circuitului foarte atent pentru a minimiza cât de mult zgomot generați.
SE: Scutul ajută?
Palmour: În realitate, nu este vorba de ecranare, ci mai degrabă de o proiectare corectă. În siliciu, ai putea să pui driverul la un metru distanță și să introduci un cablu și nu este mare lucru. În carbură de siliciu ai avea o inductanță atât de mare încât ar suna ca o banshee. Trebuie să plasați driverul foarte aproape de modul pentru a minimiza această intonare inductivă și a reduce zgomotul. Trebuie să păstrați aceste inductanțe la un nivel minim.
SE: Așadar, aceasta este marea problemă cu care se confruntă astăzi proiectanții RF, nu-i așa?
Palmour: Corect, iar noi ne ocupăm atât de RF, cât și de putere. Când folosești carbură de siliciu, te împinge mai mult spre domeniul RF decât sunt obișnuiți să gândească mulți oameni din domeniul energiei. RF este o lume diferită. Condensatoarele devin rezistențe, rezistențele devin condensatoare și totul se întoarce cu susul în jos.
SE: Dar SiC a fost folosit pe scară largă în lumea RF, nu-i așa?
Palmour: Da, iar RF este cealaltă parte a afacerii noastre. Acolo folosim SiC ca substrat. Obișnuiam să vindem MESFET-uri SiC (metal-semiconductor FETs) pentru dispozitive RF. Pentru Gan RF, 99% din dispozitivele Gan RF existente sunt realizate pe un substrat de carbură de siliciu.
Materiale conexe
Centrul de cunoștințe despre carbura de siliciu
Succesiuni de top, rapoarte speciale și multe altele despre SiC
Emerge afacerea de turnătorie SiC
Va funcționa o abordare fără fabrică pe piața semiconductoarelor de putere?
Furnizorii deMOCVD se uită la noi aplicații
VCSEL-urile, mini/microLED-urile, dispozitivele de putere și RF indică un alt boom pentru această tehnologie.
GaN versus siliciu pentru 5G
Siliciul încă câștigă în sub-6 GHz, dar după aceea GaN pare din ce în ce mai atractiv.