Kiselkarbidens ins och outs

John Palmour, teknikchef på Cree, talade med Semiconductor Engineering om kiselkarbid, hur det är jämfört med kisel, vad som skiljer det från kisel, vad som är annorlunda ur design- och paketeringssynvinkel och var det används. Nedan följer utdrag ur samtalet.

SE: SiC är välkänt inom kraftelektronik och RF, men är den största fördelen förmågan att köra enheter varmare än kisel, eller är det för att spara energi?

Palmour: Målet är att spara energi och minska systemkostnaderna. Kiselkarbid sparar pengar åt OEM:n.

SE: Direkt från början?

Palmour: Ja. Om man till exempel säger: ”Okej, jag kan sätta in kiselkarbid, som är dyrare än en IGBT, men jag kan spara tre gånger så mycket på batterikostnaden, så är det vad de gör”. Oftast används det för att minska den initiala kostnaden.

SE: Men det är inte nödvändigtvis en besparing på material i förhållande till en till en. Det handlar mer om systemkostnaden, eller hur?

Palmour: Ja, absolut. Kiselkarbid är dyrare än IGBT:er av kisel, och de ställen där vi får våra vinster är där de inser besparingarna på systemnivå. Det är nästan alltid en systemförsäljning.

SE: Har det bromsat införandet av SiC?

Palmour: Man måste hitta de tillämpningar där man sparar pengar på systemnivå. Men när man gör det och börjar leverera volymer sjunker priset och man börjar öppna upp för andra tillämpningar. Tidigare var den begränsande faktorn den initiala kostnaden, men folk börjar titta mycket mer på systemkostnaderna och inser att den initiala kostnaden ur det perspektivet är bättre med kiselkarbid.

SE: Hur är det med tillgängligheten av SiC jämfört med kisel?

Palmour: Hur är det med tillgängligheten av SiC jämfört med kisel?

Palmour: Om man är en OEM-tillverkare inom fordonsindustrin oroar man sig för kapaciteten eftersom effekten av dessa fordonsdesigns kommer att driva marknaden till att bli mycket större än vad den är idag. Leveranssäkerheten är ett problem. Det är därför Cree tillkännagav ett flertal avtal om leveranser av wafer med andra företag som tillverkar kiselkarbidkomponenter. Vi gjorde ett tillkännagivande med Delphi, där vi säljer chips till Delphi och de säljer en inverter till en europeisk OEM-tillverkare. Dessa saker undersöks, och man måste låsa in leveranserna. När det gäller dessa långsiktiga inköpsavtal måste vi veta att efterfrågan kommer att finnas där innan vi investerar mycket kapital i kapacitet. Vi meddelade förra året att vi kommer att lägga till 1 miljard dollar i investeringar för att kraftigt öka vår kapacitet för att tillgodose detta behov. Det krävs, och det är bara en början. Om man räknar på penetrationen av batterielektriska fordon på den totala fordonsmarknaden är detta bara början.

SE: Är allt detta 200 mm, eller är det äldre teknik?

Palmour: Huvuddelen av all produktion i dag sker på 150mm 6-tums wafers. Det finns fortfarande en del på 4-tums. Vi bygger en ny fabrik i New York som kommer att ha 200 mm kapacitet, men vi gör inga 200 mm i dag och räknar inte med att vara redo för det på flera år. När 8-tumsindustrin är redo kan vi sätta igång den. All utrustning kommer att vara 200 mm så att vi snabbt kan flytta över den till 8-tums när tiden är mogen. Det finns ingen 8-tumstillverkning i dag.

SE: Skiljer sig processen radikalt från tillverkning av kiselchip? Används samma verktyg som du normalt skulle använda?

Palmour: Om du talar om materialtillväxt är det annorlunda. Kristalltillväxt är radikalt annorlunda. Wafering, polering och epitaxi är alla helt olika. Men när man väl kommer in i fabriken är det ganska vanlig utrustning med undantag för två eller tre processer, som är starkt anpassade till kiselkarbid. De grundläggande tillverkningsprocesserna är mycket kiselliknande, och huvuddelen av renrumsutrustningen är typisk kiselutrustning.

SE: Hur är det på test- och inspektionssidan?

Palmour:

SE: Eftersom SiC körs vid högre temperaturer, är defekter ett större problem?

Palmour: Det är inte möjligt att använda kisel vid mycket höga temperaturer eftersom det i sig självt börjar leda. Det slutar verkligen att vara en halvledare runt 175 °C, och vid 200 °C blir det en ledare. För kiselkarbid är den temperaturen mycket högre – cirka 1 000 °C – så den kan fungera vid mycket högre temperaturer. Men vi siktar inte på mycket högre temperaturer än kisel på grund av förpackningen. Ju högre temperatur som förpackningen har, desto större blir delta T mellan låg och hög temperatur och desto snabbare kan förpackningen brytas ned. Vi strävar inte efter radikalt högre temperaturer. Eftersom vi är effektiva blir vi faktiskt inte så varma per kvadratcentimeter. Våra chip håller vanligtvis omkring 175 °C, vilket inte är så mycket högre än kisel.

SE: Det placerar SiC i ASIL D-kategorin för fordons- eller industritillämpningar, eller hur?

Palmour: Ja, absolut.

SE: Vad är annorlunda på fysiknivå?

Palmour: Det är i princip definitionen av hur mycket energi som krävs för att slita ut en elektron ur bindningen mellan två kiselatomer. Det krävs alltså 1,1 elektronvolt för att slita ut en elektron ur bindningen. Kiselkarbid har ett bandgap på 3,2 elektronvolt, vilket innebär att det krävs tre gånger mer energi. Men det är faktiskt en exponentiell funktion. Många av egenskaperna hos halvledarnas bandgap ligger faktiskt i exponenten. Vi har tre gånger bredare bandgap, men när det gäller elektrisk nedbrytning har vi faktiskt tio gånger högre fält för elektrisk nedbrytning.

SE: Vad betyder det för verkliga tillämpningar?

Palmour: Det betyder att om man tillverkar exakt samma struktur i kisel och kiselkarbid – samma epi-tjocklek, samma dopningsnivå – kommer kiselkarbidversionen att blockera 10 gånger mer spänning än kiselversionen. Man kan göra en MOSFET i kisel och man kan göra en MOSFET i kiselkarbid. MOSFETs i kisel är mycket vanliga i lågspänningsområdet, från 10 volt upp till cirka 300 volt. Över 300 volt blir motståndet i en MOSFET i kisel mycket mycket högt och det gör MOSFET:n ointressant. Den är för dyr. Så vad de gör är att gå över till en bipolär anordning. En MOSFET är en unipolär enhet, vilket innebär att det inte finns några minoritetsbärare. Det finns bara elektroner som flödar i enheten. När det är en unipolär enhet kan den växla mycket, mycket snabbt. Om du tittar på en 60-volts MOSFET så växlar den mycket snabbt, och det är därför man kan göra gigahertz-processorer i kisel. Det är MOSFETs med mycket låg spänning – kanske 5 volt. Men när man kommer upp i högre spänning måste man gå över till en bipolär enhet, vilket innebär att både elektroner och elektronhål flödar i enheten samtidigt. Och varje gång man växlar måste man avleda alla dessa elektroner och hål som återkombineras och genererar energi. Den bipolära enheten ger dig ett mycket lägre motstånd och ett mycket mindre och billigare chip, men du måste avleda överskottsvärmen varje gång du växlar. Det är den kompromiss du gör. Du kan göra en prisvärd strömbrytare, men den är inte särskilt effektiv.


Fig. 1: SiC MOSFET. Källa: Cree

SE: Vad sägs om SiC?

Palmour: Kiselkarbid har ett 10 gånger högre nedbrytningsfält. Vår 600-volts MOSFET kommer att vara lika snabb som en 60-volts MOSFET i kisel. Det andra sättet att se på saken är att om man säger att 600 volt är den spänning vid vilken man byter från MOSFET:er och kisel till IGBT:er, skulle vi vara vid 10 gånger högre spänning. Man skulle alltså kunna använda en MOSFET i kiselkarbid upp till 6 000 volt innan man måste byta till en IGBT. Det höga elektriska nedbrytningsfältet som vi får från detta breda bandgap gör det möjligt för oss att använda den typ av anordning som man skulle vilja använda i kisel, men som man inte kan använda eftersom det är för resistivt för att det ska vara praktiskt genomförbart. Man kan alltså göra den anordning i kiselkarbid som man egentligen ville ha i kisel, men på grund av fysiken i kisel är den inte praktisk inom det spänningsområdet.

SE: Åldras kiselkarbid på samma sätt som kisel på grund av den högre spänningen?

Palmour: Det är samma sak. Spänningen spelar ingen roll. Det är det elektriska fältet som är detsamma oavsett spänning. Kiselkarbid är mycket robust och åldras inte annorlunda än någon annan halvledare.

SE: Kommer det att finnas stordriftsfördelar när SiC används på fler ställen?

Palmour: Ja. Det kommer att bli lite mer asymptotiskt än Moores lag på grund av de termiska övervägandena, men vi är definitivt tidigt ute på kostnadsnedgångskurvan. Från 2017 till 2024 räknar vi med att volymen kommer att öka med 30 gånger. Det kommer att påverka.

SE: Finns det några begränsningar som skulle kunna störa denna volymökning?

Palmour: Kiselkarbid är sand och kol. Kisel och kol är två av de mest rikliga grundämnena på jorden. Det är inte som indiumfosfid eller hafnium. Jag oroar mig mer för om batterielektriska fordon kan få tillräckligt med litium och om det finns tillräckligt med sällsynta jordartsmetaller för att göra permanentmagnetmotorer. Vi kan tillverka halvledarna.

SE: Vi ser nu att mycket mer uppmärksamhet riktas mot flera chip i ett paket. Hur beter sig SiC i dessa typer av förpackningar? Skulle det nödvändigtvis ens vara i samma paket?

Palmour: När det gäller kraftkomponenter av kiselkarbid har vi tre produktlinjer. Den ena är diskreta kraftöverföringsenheter. Det är alltså en enskild MOSFET i ett TO-247-paket eller en diod i ett TO-220-paket – bara ett typiskt diskret standardpaket. Sedan säljer vi chips till andra företag som ska göra sina egna förpackningar, men i stort sett handlar det om modultillverkare. Sedan har vi våra egna moduler. En modul innehåller flera MOSFET-chip av kiselkarbid i parallellkoppling för att få mer effekt i en mycket enkel krets. I de vanligaste fallen är det andra identiska kiselkarbidchips som ingår i effektmodulen. Låt oss säga att du har ett chip med 100 ampere, men du behöver en kraftmodul och en H-bryggekonfiguration som ger dig 600 ampere. Du skulle alltså sätta sex enheter med 100 ampere på ena sidan, sex enheter med 100 ampere på den andra för att ge dig H-bryggan, och sedan kanske några kondensatorer eller några motstånd. Detta finns på marknaden i dag. Det stora problemet – och det som vi arbetar mycket med och som många av dem som arbetar med fordonsindustrin arbetar med – är att om du skulle placera våra chip i ett standardpaket för silikonströmförsörjningsmoduler skulle du bara få ungefär hälften av den prestanda som chipen kan ge dig på grund av de inbyggda induktanserna. Jag skulle jämföra det med att släppa in en Ferrari-motor i ett VW-bug-chassi.

SE: Det låter som en missanpassning.

Palmour: Det vi och andra arbetar med är hur man kan optimera den modulen för att dra full nytta av kiselkarbid. Vi måste bygga ett Ferrari-chassi för den motorn, och det är det som man arbetar med i kraftmoduler. När det gäller om det skulle fungera med andra chip i ett paket är svaret ja. I dag sitter drivrutinerna och de andra chip som ingår i kraftmodulen vanligtvis på ett kretskort. Vanligtvis är det på ett separat kort som är placerat precis bredvid modulen, men det skulle kunna finnas i samma modul. Det kallas en intelligent strömförsörjningsmodul. Men man kan definitivt göra samma sak i kiselkarbid.

SE: Hur är det med saker som brus och drift, som är växande problem i många konstruktioner? Är det annorlunda med SiC?

Palmour: Det finns två delar i den frågan. När det gäller oxidernas stabilitet finns det en viss drift i kiselkarbid. Vi ägnar mycket tid åt att arbeta med detta för att minimera det. Det är inget problem när man väl får ordning på det. Det handlar egentligen mest om drifttiden. Den kommer i princip att skifta under de första 10 eller 20 timmarna, och sedan stabiliseras den. Om du stänger av allting skulle det hända igen, så lösningen är att göra det så minimalt som möjligt. När det gäller buller är vi inte så känsliga för buller som andra chip. Men eftersom kiselkarbid kan drivas vid så höga frekvenser och kan växla vid riktigt höga dv/dt och di/dt skapar vi faktiskt brus. Man måste göra sin kretsdesign mycket noggrant för att minimera hur mycket brus man genererar.

SE: Hjälper avskärmning?

Palmour: Det handlar egentligen inte så mycket om avskärmning som det handlar om att göra designen rätt. I kisel kan du placera drivrutinen en meter bort och dra en kabel och det är ingen stor grej. I kiselkarbid skulle du ha så mycket induktans att det skulle ringa som en banshee. Man måste placera drivrutinen mycket nära modulen för att minimera det induktiva ringandet och minska bruset. Du måste hålla induktanserna minimala.

SE: Så detta leder in på det stora problem som RF-designers har att göra med i dag, eller hur?

Palmour: Vi arbetar med både RF och strömförsörjning. När du använder kiselkarbid, så driver det dig mer mot RF-området än vad många människor inom kraftindustrin är vana vid att tänka. RF är en annan värld. Kondensatorer blir motstånd, motstånd blir kondensatorer och allt vänds upp och ner.

SE: Men kiselkarbid har använts flitigt i RF-världen, eller hur?

Palmour: Ja, och RF är den andra delen av vår verksamhet. Där använder vi SiC som substrat. Vi brukade sälja MESFETs (metal-semiconductor FETs) av SiC för RF-enheter. För Gan RF görs 99 % av Gan RF-enheterna där ute på ett substrat av kiselkarbid.

Relaterade material
Kunskapscenter för kiselkarbid
Toppnyheter, specialrapporter med mera om SiC
SiC Foundry Business Emerges
Fungerar ett fabrikslöst tillvägagångssätt på marknaden för halvledarprodukter för kraftförsörjning?
MOCVD-leverantörer ser nya tillämpningar
VCSELs, mini/microLEDs, kraft- och RF-enheter pekar på ytterligare en boom för denna teknik.
GaN kontra kisel för 5G
Kisel vinner fortfarande inom sub-6 GHz, men efter det ser GaN alltmer attraktivt ut.

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras.