新型 SiC 基板提升功率器件

电动汽车、电信和工业应用对技术的需求不断增长，这促使 Soitec 和应用材料公司共同制定了用于功率器件的下一代碳化硅 (SiC)衬底的联合开发计划。该计划旨在提供技术和产品，以提高下一代电动汽车的 SiC 器件的性能和可用性。

“我们期待与 Soitec 密切合作，为碳化硅技术创造材料工程创新，”应用材料公司新市场和联盟高级副总裁 Steve Ghanayem 说。

使用功率器件进行设计的 OEM 厂商当然希望获得最高效的产品，并且使用 III-V 半导体（包括 SiC）代替硅可以提高效率。SiC 显着降低了功率损耗，实现了更高的功率密度、电压、温度和频率，同时减少了散热。SiC还具有宽约3倍的带隙，在相同击穿电压的情况下，漂移区的距离可以减少到十分之一左右。

“高压 SiC 器件提供了快速开关和低损耗的有吸引力的组合，为应用用户在选择中高压功率转换拓扑方面提供了前所未有的灵活性。” Soitec 复合业务部门总经理 Olivier Bonnin 说。

但是有一些因素阻碍了向碳化硅衬底的快速过渡。

“需要更高质量的 SiC 材料来提高产量（降低缺陷密度）和可靠性。为了适应大批量代工厂的加工并降低加工成本，需要提高晶圆平面度，”Bonnin 说。

电动汽车的未来将基于从半导体材料和基板层面开始的技术创新。过去一年，对 SiC 基半导体材料的需求一直在上升。

Bonnin 援引 Yole Developpement 的统计数据称，SiC 功率器件市场将从今天的 5.6 亿美元增长到 2024 年的 20 亿美元，复合年增长率为 28%。“SiC 很可能成为未来十年的首选材料，”Bonnin 说。

与应用材料公司的技术开发计划的目标是在 2020 年下半年基于 Soitec 专有的 Smart Cut 技术创建 SiC 工程基板样品。Smart Cut 技术目前用于制造被芯片制造商广泛采用的绝缘体上硅 (SOI) 产品。

“Soitec 的技术旨在通过在特定接收器上层转移最优质的 SiC 材料以及多次回收 SiC 材料来应对这些挑战，”Bonnin 说。

“Smart Cut 是我们的晶圆键合和分层技术。从本质上讲，它是一种将单个优质 SiC 晶圆转变成多个优质 SiC 晶圆的方法。它通过从高质量的供体衬底上去除一层非常薄的晶体材料并将其粘合到成本/质量较低的晶片上来实现这一点。这会产生具有高质量表面的多个晶片，可以在其上构建半导体器件。我们相信，我们的 Smart Cut 技术适用于 SiC，它可以在基板和器件层面在质量、性能和成本方面实现显着改进。” 奥利维尔说。

每个芯片的开关和传导损耗将显着降低，但芯片面积将进一步减少，因为高功率密度必须应对有效的热管理。

最早进入市场的宽带隙 (WBG) 器件之一是 SiC 功率二极管，广泛渗透到特定领域，包括 PV 转换器和电机驱动器。这些器件在效率、更高电压和热行为方面提供了即时改进。该材料的固有性能带来了这些优势：SiC 的室温热导率高于 300W/mK。

“由于某些特定的层工程，我们的技术将利用 SiC 材料的特性以及将其优势推向新设备挑战的可能性，”Bonnin 说。

温度因素和开关频率是电动汽车设计中的基本要素。与其合作伙伴 Si 相比，高温下的稳定性和更高开关频率下的可操作性涉及减小系统的尺寸和重量，因为组件取代了具有较低外形尺寸的笨重磁性组件。

电气挑战将解决开关模式下的电流泄漏问题，这可能导致过压和显着振荡。由于用于控制功率模块附近的电流流动的电路布局，可以避免这些问题。

另一个问题与交流电和大地之间的电容耦合有关：这种耦合变得至关重要，因为它会产生显着的电磁干扰。此外，在这种情况下，电源模块的智能设计可以帮助减少这种影响。

成本显然是一个需要考虑的因素：最大的挑战是 SiC 器件的广泛采用。电气特性显示了它们如何显着降低系统成本，但最重要的是，真正提高了整体效率。SiC 器件将通过新的封装技术改变应用游戏。