评估 SiC 在汽车行业之外的潜力

碳化硅 (SiC) 因其更高的开关频率和更高的结温而被称为汽车行业传统 Si IGBT 器件的继承者。此外，在过去五年中，汽车行业已成为基于 SiC 的逆变器的公共试验场。事实证明，通过 SiC 转换器实现 DC 到 AC 的基本转换比硅 (Si) 转换器更小、更轻且更高效，因此宽带隙器件在汽车行业的潜力将显着增长。

然而，电气化议程不会以汽车开始和结束。更广泛的运输应用将很快出现，包括卡车和公共汽车、船舶和航运、火车的进一步电气化，甚至飞机。在供应方面，并网太阳能发电系统和通过高压直流 (HVDC) 链路传输能源对于低碳能源的生产和分配也至关重要。

这些应用程序的一个共同主题是更高系统电压的潜在作用，因此更高电压的功率设备。在电动汽车 (EV) 中，从 400 V 转变为 800 V 的好处主要是可能的更快充电速率。在太阳能逆变器中，从 1,000-V 到 1,500-V 系统的持续转变正在减少光伏串、逆变器、电缆和直流接线盒的数量——所有这些都可以提高效率并节省成本。在标称电压为数百千伏的千兆瓦 HVDC 装置中，较高的单个设备额定值会减少多级堆栈中所需的设备数量，从而减少维护和整体系统尺寸。

SiC 功率器件有可能成为这些领域的关键推动力。然而，今天，市场上可用的 SiC 器件范围非常窄，从 650 V 到 1,200 V，只有少数 1,700-V 器件可用。虽然 3,300 V 在技术上看起来触手可及，但只有GeneSiC和 Microchip 提供此电压级别的器件。

当然，这种对所提供汽车奖品的单一关注是可以理解的。争夺该行业市场份额的竞赛导致公司努力提高产能、采用 200 毫米晶圆并提高产量。这为打开高压市场所需的大量研发活动留下了空间，相比之下，高压市场相对较小。

值得庆幸的是，研究部门一直在努力工作，已经设计、制造和试用了许多更高电压的 SiC 技术演示器，让我们很好地了解了 SiC 超结 (SJ) MOSFET、IGBT 和晶闸管的影响。可能对这些高压应用。

电压上升，而不是下降?

650 V 仍将是 SiC MOSFET 的底线，这是一个相当安全的预测。图 2 显示了单极极限图，它描绘了当今的商用 SiC 器件，并绘制了它们的电阻与阻断电压的关系图。这揭示了该技术的局限性。随着电压阻断漂移区在 650 V 时的厚度减小到仅 5 µm，器件的电阻已经减小到这样的程度，即来自 SiC 沟道区和衬底的固定电阻占主导地位，从而阻止了进一步缩小尺寸。反抗。虽然在未来几代中改进 650-V MOSFET 似乎有相当大的余地，但很难将这些固定电阻降低到足以支持商用 300-V SiC MOSFET 的程度。

在这些低电压下，没有通道的器件(例如Qorvo/UnitedSiC 的级联 JFET)具有 RDS(on) 优势：可以进行一些晶圆减薄，从而实现电阻非常低的 SiC FET。实际上，考虑到使用行业兼容的方法可以进一步提高 SiC 沟道迁移率的实际限制，SiC JFET 可能是唯一可以实现低于 600 V 额定电压的器件。

扩大碳化硅

表示当前 SiC 技术限制的点划线暗示的是，虽然 SiC 在 650 V 和 1,200 V 是一种很好的技术，但它有可能在更高的电压下变得更好。由于漂移区被缩放到 30 µm 以支持额定电压为 3.3 kV 的器件，其电阻超过了基板和通道的电阻，从而使器件更接近技术极限。因此，在未来，经过磨练以达到当今 SiC 器件质量的高压 SiC MOSFET 在高达 10 kV 的电压下将比现有的 Si 技术具有更大的优势。

此外，对电网应用的更高电压设备类型敞开大门，例如 15kV IGBT 和 20+ kV 晶闸管。在通过研磨和 CMP 去除衬底之前，通过在 N+ 衬底上外延生长来开发这些技术已经取得了足够的进展。此外，生长后的 SiC 中的载流子寿命极低已通过寿命增强氧化工艺得到改善，因此这些额定电压为 20+ kV 的双极器件将具有与硅表亲相似的低传导损耗。

从技术上讲，几乎没有阻止 SiC MOSFET 技术的规模化。3.3-kV 器件在学术文献中已经相当成熟，并且已经存在制造高达约 10 kV 的优质外延层所需的技术。寻找研发时间和能力来生产这些设备而不是汽车相关产品感觉就像是剩下的最大障碍。