星空-克服碳化硅制造挑战，助力未来电力电子应用

2024-12-23

[导读]几十年来，硅(Si)一向是半导体行业的首要材料——从微处置器到分建功率器件，无处不在。但是，跟着汽车和可再生能源等范畴对现代电力需求利用的成长，硅的局限性变得愈来愈较着。几十年来，硅(Si)一向是半导体行业的首要材料——从微处置器到分建功率器件，无处不在。但是，跟着汽车和可再生能源等范畴对现代电力需求利用的成长，硅的局限性变得愈来愈较着。跟着行业不竭摸索解决方案，宽禁带(WBG)材料，包罗碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)，被视为解决之道。禁带宽度描写了价带顶部和导带底部之间的能量差。硅的禁带宽度相对较窄，为1.1电子伏特(eV)，而SiC和GaN的禁带宽度别离为3.3eV和3.4eV。图 1 - 宽禁带材料的物理特征(资料来历：安森美) 这些特征意味着宽禁带材料的特征更像绝缘体，可以或许在更高的电压、频率和温度下工作。是以，它们很是合适用在电动汽车(EV)和可再生能源等范畴的功率转换利用。碳化硅(SiC) 碳化硅(SiC)并不是新颖事物，作为研磨材料已有跨越一个世纪的出产汗青。但是，因为具有合适高压、年夜功率利用的诱人特征，SiC正逐步崭露头角。SiC的物理特征，如高热导率、高饱和电子漂移速度和高击穿电场，使得SiC设计比拟硅MOSFET或IGBT具有极低的消耗、更快的开关速度和更小的几何尺寸。很多业内助士将SiC视为具有竞争优势的原材料，由于它可以或许在减小尺寸、重量和本钱的同时提高效力。因为SiC系统的工作频率更高，无源器件的体积更小，消耗更低，是以所需的散热办法也更少。终究，这将实现很多现代利用所需的更高功率密度。图 2 - SiC 在很多利用中都具有优势(来历：安森美) 在选择材料的同时，在SiC功率器件中采取新的裸片毗连手艺有助在消弭器件中的热量。烧结等手艺可在裸片和衬底之间构成安稳的连系，并确保靠得住的互连性。是以，它可以提高热传导效力，改良散热机能。 SiC凡是用在高压利用( 650V)，但在 1200V 和更高电压下，碳化硅最先阐扬显著感化，成为太阳能逆变器和电动汽车充电的最好解决方案。它也是固态变压器的要害鞭策身分，在固态变压器中，半导体将代替磁性元件。制造挑战 SiC的制造其实不轻易，起首，颗粒的纯度必需极高，而且SiC晶锭需要高度的一致性。因为SiC材料永久不会酿成液态，是以晶体不克不及从熔融状况中发展出来，而是需要在气相手艺中经由过程细心节制的压力来实现，这类手艺称为升华法。为了实现这一点，SiC粉末被放置在熔炉中并加热到跨越2200°C，使其升华并在籽晶上结晶。但是，即使如斯，发展速度也很是迟缓，每小时最多只能发展0.5毫米。 SiC的极端硬度使得即便利用金刚石锯切割也好不容易，这使得与硅比拟，制造晶圆更具挑战性。固然可使用其他手艺，但这些手艺可能会在晶体中发生缺点。因为SiC是一种很是轻易发生缺点的材料，且搀杂工艺具有挑战性，出产有缺陷少的年夜尺寸晶圆其实不轻易。虽然如斯，安森美(onsemi)公司此刻已可以常规出产8英寸的衬底。图 3 - 碳化硅制造工艺(来历：安森美) 撑持研究安森好心识到学术界在半导体手艺成长中的主要性。就SiC而言，今朝正在以下范畴展开研究： ● 对宇宙射线的抗扰性 ● 栅极氧化物的固有寿命建模 ● 碳化硅/二氧化硅界面特点描写和寿命建模 ● 外来物资(挑选) ● 外延和衬底缺点 ● 体二极管退化 ● 高压阻断靠得住性 (HTRB) ● 有关边沿终止、雪崩稳健性和短路的特定机能指标 ● 高 dv/dt 经久性设计 ● 浪涌电流另外，安森美还许诺出资 800 万美元，环绕宾夕法尼亚州立年夜学(PSU)的安森美碳化硅晶体中间(SiC3)展开计谋合作。他们还与欧洲其他最少六家教育机构合作，进一步鞭策该手艺的成长。安森美制造的优势安森美的怪异的地方在在，该公司为SiC器件供给了完全集成的供给链，可以周全节制从晶锭到客户的所有流程环节和相干质量。该流程重新罕布什尔州最先，起首培养单晶碳化硅材料，然后在其上添加一层薄的外延层。接下来，完成多个器件处置步调和封装，以出产出终究产物。安森美出产基地的端到端能力有助在进行最周全的测试并撑持底子缘由阐发。其方针是出产零缺点的高靠得住性产物。图 4 - 最终质量 - 零缺点(来历：安森美) 经由过程对每一个步调的可见性和节制，可以相对轻松地扩年夜产能，以知足不竭增加的需求。另外，还可以对流程进行优化，以最年夜限度地提高产量和节制本钱。事实上，麦肯锡公司也承认垂直整合供给链的益处，他们写道："SiC 晶圆和器件出产的垂直整合可以将产量提高五到十个百分点。成功的五个步调在应对碳化硅的特定挑战时，安森美采取了五步方式来解决衬底和外延缺点程度、体二极管退化、高压阻断时代的靠得住性和与利用相干的机能等问题。图 5 - 应对 SiC 挑战的五步方式(来历：安森美) 栅极氧化物完全性 (GOI) 相当主要，也是采取五步法的一个范畴。节制 - 采取节制打算、统计进程节制和潜伏掉效模式与后果阐发 (FMEA) 等东西，搜集数据并用在流程改良。改良 - 衬底或外延层的缺点和金属污染物和颗粒城市影响 GOI。延续改良可削减此类缺点的产生。测试和挑选 - 视觉和电学挑选都用在辨认任何出缺陷的裸片。对衬底进行扫描，并在晶圆加工进程中继续扫描，以领会每一个阶段的缺点。在晶圆级进行电气测试，包罗老化测试和晶圆分类。特征描写 – 利用电荷击穿(QBD)测试来权衡GOI的质量，由于它能检测到更细微的细节。测试注解，SiC的内涵 QBD 机能是硅的 50 倍。在出产中进行样本QBD测试，假如晶圆不合适预定的验收尺度，则会被剔除。判定和提取模子 – 经由过程时候相干的介电层击穿(Time Dependent Dielectric Breakdown,TDDB)应力测试评估栅极氧化层的内涵机能。连系栅极偏压和温度对碳化硅MOSFET施加应力，并记实掉效时候。然后利用 Weibull 统计散布得出器件寿命。安森美 SiC 的分歧的地方安森美深知碳化硅在将来电力电子范畴的要害感化，特别是在汽车和可再生能源等范畴的电力转换利用。这鞭策了对产能和产物立异的投资，以确保 SiC 尽快充实阐扬其潜力。安森美作为一家垂直整合的供给商，全部出产进程都在我们的掌控之下，这是其他任何公司都没法对比的。这不但能节制本钱，还能确保向汽车和工业制造商供给零缺点的产物。