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碳化硅技术将开启规模应用

时间:2021-12-30 05:57:08 作者:Maurizio Di Paolo Emilio 阅读:
碳化硅的优点是导热性好、热膨胀系数低、最大电流密度高。与传统的硅相比,这些特性呈现了出色的电气性能,使得碳化硅非常有利于需要大电流、高温和高导热性的大功率应用。许多制造商正在向碳化硅大踏步迈进,电动汽车、太阳能系统和数据中心等应用开始纷纷使用碳化硅。特别是对高质量、高可靠性和高效率需求的汽车行业,碳化硅已经逐渐流行起来。
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本次访谈对象是俄亥俄州立大学电气与计算机工程系IEEE院士教授Anant Agarwal。Anant教授迄今发明了60多项专利,并在会议和期刊上发表了大量研究论文,还与他人合著了一本关于碳化硅技术的书籍,是该领域名副其实的资深专家。

碳化硅的优点是导热性好、热膨胀系数低、最大电流密度高。与传统的硅相比,这些特性呈现了出色的电气性能,使得碳化硅非常有利于需要大电流、高温和高导热性的大功率应用。许多制造商正在向碳化硅大踏步迈进,电动汽车、太阳能系统和数据中心等应用开始纷纷使用碳化硅。特别是对高质量、高可靠性和高效率需求的汽车行业,碳化硅已经逐渐流行起来。

Maurizio Di Paolo Emilio 好的,碳化硅是今天的主题。碳化硅可以通过提高整体系统效率来增加电动汽车的行驶距离。在太阳能行业中,优化后的碳化硅逆变器在效率和成本方面可以起到很大的作用。因此,业内见证了大量对碳化硅的投资。我想问您在基板、封装、外形尺寸、电路版图等方面优化成本性能与材料之间的权衡、挑战或最关键的问题是什么?碳化硅半导体的未来前景如何?

Anant Agarwal:我们假设电动汽车中使用的碳化硅的往返效率可以高达7%到8%,那么在电动汽车中使用碳化硅绝对有很好的理由。但正如你所说,我们也面临着很多挑战。第一个显然是成本。我早年在美国国防部工作时就谈过很多。目前我最乐观的估计是,典型的1200伏碳化硅MOSFET的批量定价可能低至每安培10美分,但硅基IGBT的定价每安培大约只有2美分,而且批量很大。所以很明显碳化硅很难进入这个市场。

幸运的是,像特斯拉这样的公司在成为碳化硅的首批采用者方面表现出了极大的领导力。所以这是一个好事情。另一件好事是,到2023年我们将转向200毫米晶圆。因此,我的猜测是批量定价可能会降至每安培6美分左右,但距离每安培2美分还很远。为了至少达到每安培3美分,我认为这是一个重要的里程碑,我们确实需要降低基板和外延层的价格,这是最昂贵的两种材料。通常批量可以解决这些问题。但我认为全球范围内的制造商目前还很少,无论是基板还是外延层都可能不到10家。

所以我的感觉是事情不会一蹴而就,会在五至六年内慢慢发展起来。但是今天你可以看到大的趋势,世界各地都在发生重大的整合。但我仍然认为达到每安培3美分还需要五到六年的时间。顺便说一下,日本那边有一个重大突破可以帮助到我们,他们的碳化硅MOSFET的反转迁移率翻了一倍,这有助于将器件尺寸缩小30%。而且成本也很有希望降低。所以,我认为我们正在解决成本问题,从现在开始算应该在五至六年后达到目标。还有一个问题,那就是普通乘用车的电动汽车逆变器,它要求大约400V、2400安培的输出能力。这意味着我们应该使用150A到200A的器件,因为我们不想在功率模组中并联太多器件,原因是电流共享会带来其他一些可靠性问题。不过目前的器件尺寸还受限于该外延层上的缺陷,即表面缺陷。

今天如果我们检查100辆汽车,会发现它们的缺陷范围从每平方厘米一个缺陷到每平方厘米两个缺陷。因此我认为必须大幅提高外延质量来减少缺陷。当然,最后还有栅极氧化层的可靠性问题,以及短路耐受时间非常短的问题。所以,在达成我们的目标之前还有许多挑战要解决,这个问题我先谈到这儿吧。

Maurizio Di Paolo Emilio :好的。那下面让我们进入技术方面、技术细节吧,碳化硅MOSFET器件的商用化在过去十年中得到了迅速发展,最近几年栅极氧化层的可靠性是其中主要问题之一,因为它缩短了器件的工作寿命。在您的一篇题为“商用化1.2kV 4H-SiC功率MOSFET的栅极泄漏电流行为调查”的文章中,您的团队研究了商用化1.2千瓦碳化硅功率MOSFET在不同栅极电压下的栅极泄漏电流。你能告诉我更多关于这项研究、你的工作以及用来评估碳化硅性能的其他参数吗?

Anant Agarwal:首先,如果了解碳化硅中的栅极氧化层问题,就会知道一共有两个问题。一个问题是MOSFET的寿命,另一个问题是如何筛选出栅极氧化层不良的器件。这也是我们在实验室中研究的两个问题。我们先谈谈对寿命的预测。许多电动汽车制造商要求100年。可靠性测试是在高温环境中在栅极两端施加非常高的电压下进行的,这样可以加速栅极氧化层的失效,然后我们将这些数据折算到通常为20V的栅极工作电压。我们把这些测试称为与时间相关的电介质击穿测试,这种测试应用非常广泛,我们的团队成员测试了目前可得到的所有商用器件,好消息是它们都符合寿命标准。所以,这确实是非常非常好的消息。

总之,我必须说碳化硅MOSFET中的栅极氧化层具有足够高的质量。所以这不是我的主要担忧。让我有点担心的第二个问题,即我之前提到的外延层上的表面缺陷问题。无论该缺陷什么时候有,在哪里有,都会合并到栅极氧化层中,使得氧化层本身显得非常脆弱。这种缺陷可能是硅脱落,即所谓的三角形缺陷,还有许多其他类型的表面缺陷,这些类型的缺陷非常多。

如果要使用大电流器件,比如200安培,可能会有30%到40%的器件包含这些缺陷,具体取决于器件的大小,必须将它们筛选出来,因为不能让它们进入薄膜阶段。那么该怎么办呢?以很短的时间施加最大可能的栅极电压,极限条件是栅极氧化层中每厘米的电压不应超过9兆伏,这样就可以在制造过程的晶圆级筛选出栅极氧化层不良的器件,然后把它们扔掉。当然这要取决于缺陷的大小,在硅片中不是这样的,但在碳化硅中肯定是这样,有很多缺陷,也有些器件会逃脱筛选过程,因为显然不能筛选太长时间。

这些缺陷会导致薄膜失效,这是不可接受的。因此沟道大扩展或平面大宽度具有明显的优势。英飞凌的Tom Aichinger实际上已经意识到了这一点,故英飞凌沟道器件具有更厚的栅极氧化层,与平面MOSFET中的350埃相比,其栅极氧化层厚度几乎达到700埃。因此可以施加更高的栅极电压,可筛选出几乎所有的缺陷。虽然寿命还不错,但必须提高外延层质量以减少表面缺陷。

Maurizio Di Paolo Emilio :那么,正如您所提到的那样,在所有电源转换领域中的许多应用和新设计,包括逆变器大功率AC/DC、DC/DC转换器,都越来越多的使用碳化硅解决方案。因此我认为如果不使用低电感封装,就无法很好的开发碳化硅技术。那么,这种封装的角色是什么?意义又在哪里?此外,还有一个问题,对于电动汽车电池充电器设计、动力传动系统设计,应该考虑的主要事情、主要建议、主要功能应该是什么?

Anant Agarwal:是的,这是一个相关性很强的问题。早期我们开始制造碳化硅器件时,只是将它们封装在一个典型的硅IGBT封装电源模块中,但它并没有真正起作用,还导致很多振荡。所以,如果要设计一个1200伏400安培的半桥模块这样的主器件,因为碳化硅器件开关非常快,必须将杂散电感保持在5nH以下,对于硅IGBT模块来说这不是问题,它可以容忍更高的电感,但是对于碳化硅来说,需要将杂散电感保持在5nH以下,这并不容易。必须留心器件的布局和版图设计,并进行大量的仿真。

其次,还要担心杂散电容,因为人人都在使用双键合铜基板,这种基板有很多电容因而很容易导致共模噪声。第三,我们发现的另外一个关键问题是碳化硅和铜之间的膨胀系数不匹配。这意味着非常大的器件将无法承受温度循环,它们会直接脱落。所以这里必须要有创意,寻找其他材料来替代,这是我们必须要解决的问题。还有个明显的事情,就是我们需要考虑热阻抗,它应该小于每瓦1摄氏度,这也不容易达到。

另外还有个问题我必须提一下,如果有100个来自指定制造商的器件,会发现阈值电压在1到2伏之间变化。如果只是将这些器件随机放置在一个电源模块中,那么就会在器件之间获得大量均等的电流共享。这对电源模块的长期可靠性来说可不是好事,它意味着必须正确匹配器件中的阈值电压,而这肯定会增加成本。

最后,我们可以使用高温灌封材料,而不是硅胶,这些非硅胶材料可以使器件在结温高达200摄氏度时仍能正常工作,这绝对是一个优势。所以总的来说,并不需要考虑非常激进的方案,只要仔细的设计就能达到目标。实际上也不能将非常昂贵的镀金封装用于电动汽车应用,必须找到解决这些问题的简单方法。

Maurizio Di Paolo Emilio :好的,前面你提到了阈值电压。另外,我想谈谈你的一篇文章,题目是“商用1.2kV SiC功率MOSFET的阈值电压不稳定性”。在这篇文章中您分析了一些商用器件中的阈值电压不稳定性,以判断它们对汽车应用稳健性的影响,因为这些应用需要严格的可靠性要求。那么在这方面有哪些考虑,您能告诉我更多关于这篇论文的信息吗?

Anant Agarwal:好的。我们早就知道碳化硅中的栅极氧化层有很多分布在整个薄膜上的缺陷。这很常见,比如有些碳在氧化过程中试图逃逸,并且还可能有来自薄膜本身的缺陷。所以,我们所做的是在栅极上施加直流电压,比如20伏、400小时,我们可以看到在100小时内有2到3伏的漂移。发生这种现象的原理是有电子从碳化硅注入栅极氧化层并被捕获。

试验结果表明这些缺陷是肯定存在的。不同的制造商有不同的缺陷密度,因为可能采用不同的栅极氧化层生长技术。不过好消息是,某些制造商已做得更好。如果用20伏的电压导通设备然后关断它,并执行数百万次这样的循环(这也是从转换器角度看到的这些器件的工作方式),阈值电压会在导通脉冲期间增加,但随后在关断脉冲时又降低,因为所有的电子都回来了。所以正确的方法是进行数百万次开关循环,但人们似乎还没有做到这一点。在MOSFET的整个使用寿命期间电压漂移只有1到2V。但需要重申的是,不同制造商之间确实存在很大差异。

实际上这没什么大不了的,它不会影响电源转换器,但氧化层中有缺陷从来都不是一件好事。我已经指出的第二个问题是,由于界面缺陷,反转层迁移率非常低。碳化硅中的反转层迁移率通常为每伏秒20平方厘米,硅超过100,这是一个很大的劣势。

为了解决这个问题,我们多年来所做的是将沟道缩小到2.4微米,将栅极氧化层厚度降低到300至400埃。典型的硅沟道长度超过1微米,氧化层厚度约为1000埃。但是,采用短沟道时,它会造成非常低的短路耐受时间,只有两到四微秒,不同制造商在这方面同样也存在很大差异。

而且即使是相同公司的器件也有不同。这给栅极驱动器带来了巨大的负担,它必须检测短路故障并在1微秒内关断MOSFET。所以,首先需要在不放弃性能的情况下改进器件的短路耐受时间,实际上我之前提到,我们在这方面已经取得了重大突破,如今已可以达到8到10微秒的短路耐受时间。

我曾提到用于碳化硅的苯酚栅极氧化层会导致其自身的一系列问题,首先阈值电压变得非常低,有的低至2伏。由于dV/dT较高,因此存在意外导通的危险,这很糟糕。其次,电动汽车中有开关电流高达300至400安培,再加上转换器中的寄生电感,很容易达到栅极边界,这可能会烧毁栅极。因此,我一直建议使用断续型(ticker)栅极氧化层,沟道型MOSFET通常具有较厚的栅极氧化层,几乎是平面型D MOSFET的两倍,因为它们具有更高的反转层迁移率。

总而言之,应该说栅极氧化层中的缺陷不是主要问题,但应该密切关注它。所有这些迁移率进步都来自日本,我们应该用它们来加厚栅极氧化层,并且应该改进器件设计以提高短路耐受时间。以上就是我认为应该担心的三件事。

Maurizio Di Paolo Emilio :非常有趣,所以我建议读者也阅读一下的文章。最后一个问题,在碳化硅方面你的下一个课题是什么?碳化硅和氮化镓都可以为创建下一代智能电网以解决能源问题做出贡献。在分布式太阳能发电系统中,每个发电机组都在执行其主要功能,而半导体技术是提供具有竞争力的设计的关键要素,您对此有何考虑?

Anant Agarwal:很好,我一直认为碳化硅可以通过使分布式发电和分布式电网成为可能来对抗全球变暖、脱碳。去中心化电网就是答案,在这里我认为碳化硅将发挥重要作用,因为它具有更高的效率和开关速度。此外,市场急需的是高压碳化硅器件,比如3.3KV、12KV碳化硅MOSFET,这也是我们再次专注于这些高压器件和电源模块的原因。3.3KV硅IGBT的开关速度只有1至2KHz,而碳化硅MOSFET的开关速度可达15KHz,其效率可提升5%。电网中的大问题是这些设备都是无人值守的。而硅(IGBT)则需要压缩机液体冷却,通常因泵停机而需要维护。

因此必须考虑在这些无人值守设备中使用空气冷却的高压碳化硅MOSFET。如果可以改进电源模块,我认为200摄氏度的结温是非常有用的。我们正在进行的另一个项目是将碳化硅CMOS和高压横向MOSFET集成在一个芯片中。因此也就有了硅智能芯片的说法,它们无处不用,采用100伏MOSFET和大量CMOS电路,我们甚至可以达到600伏。这意味着与硅芯片相比,可以在碳化硅芯片上处理高六倍的功率。因此我认为碳化硅技术已经足够成熟,很多应用将开启。

(参考原文:From Silicon to Silicon Carbide

本文为《电子工程专辑》2021年12月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅 

责编:Amy Wu

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