電動汽車、電信和工業(yè)應(yīng)用對技術(shù)的需求不斷增長，這促使 Soitec 和應(yīng)用材料公司共同制定了用于功率器件的下一代碳化硅 (SiC)襯底的聯(lián)合開發(fā)計劃。該計劃旨在提供技術(shù)和產(chǎn)品，以提高下一代電動汽車的 SiC 器件的性能和可用性。

“我們期待與 Soitec 密切合作，為碳化硅技術(shù)創(chuàng)造材料工程創(chuàng)新，”應(yīng)用材料公司新市場和聯(lián)盟高級副總裁 Steve Ghanayem 說。

使用功率器件進(jìn)行設(shè)計的 OEM 廠商當(dāng)然希望獲得最高效的產(chǎn)品，并且使用 III-V 半導(dǎo)體（包括 SiC）代替硅可以提高效率。SiC 顯著降低了功率損耗，實現(xiàn)了更高的功率密度、電壓、溫度和頻率，同時減少了散熱。SiC還具有寬約3倍的帶隙，在相同擊穿電壓的情況下，漂移區(qū)的距離可以減少到十分之一左右。

“高壓 SiC 器件提供了快速開關(guān)和低損耗的有吸引力的組合，為應(yīng)用用戶在選擇中高壓功率轉(zhuǎn)換拓?fù)浞矫嫣峁┝饲八从械撵`活性?！?nbsp;Soitec 復(fù)合業(yè)務(wù)部門總經(jīng)理 Olivier Bonnin 說。

但是有一些因素阻礙了向碳化硅襯底的快速過渡。

“需要更高質(zhì)量的 SiC 材料來提高產(chǎn)量（降低缺陷密度）和可靠性。為了適應(yīng)大批量代工廠的加工并降低加工成本，需要提高晶圓平面度，”Bonnin 說。

電動汽車的未來將基于從半導(dǎo)體材料和基板層面開始的技術(shù)創(chuàng)新。過去一年，對 SiC 基半導(dǎo)體材料的需求一直在上升。

Bonnin 援引 Yole Developpement 的統(tǒng)計數(shù)據(jù)稱，SiC 功率器件市場將從今天的 5.6 億美元增長到 2024 年的 20 億美元，復(fù)合年增長率為 28%?！癝iC 很可能成為未來十年的首選材料，”Bonnin 說。

與應(yīng)用材料公司的技術(shù)開發(fā)計劃的目標(biāo)是在 2020 年下半年基于 Soitec 專有的 Smart Cut 技術(shù)創(chuàng)建 SiC 工程基板樣品。Smart Cut 技術(shù)目前用于制造被芯片制造商廣泛采用的絕緣體上硅 (SOI) 產(chǎn)品。

“Soitec 的技術(shù)旨在通過在特定接收器上層轉(zhuǎn)移最優(yōu)質(zhì)的 SiC 材料以及多次回收 SiC 材料來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，”Bonnin 說。

“Smart Cut 是我們的晶圓鍵合和分層技術(shù)。從本質(zhì)上講，它是一種將單個優(yōu)質(zhì) SiC 晶圓轉(zhuǎn)變成多個優(yōu)質(zhì) SiC 晶圓的方法。它通過從高質(zhì)量的供體襯底上去除一層非常薄的晶體材料并將其粘合到成本/質(zhì)量較低的晶片上來實現(xiàn)這一點。這會產(chǎn)生具有高質(zhì)量表面的多個晶片，可以在其上構(gòu)建半導(dǎo)體器件。我們相信，我們的 Smart Cut 技術(shù)適用于 SiC，它可以在基板和器件層面在質(zhì)量、性能和成本方面實現(xiàn)顯著改進(jìn)。” 奧利維爾說。

每個芯片的開關(guān)和傳導(dǎo)損耗將顯著降低，但芯片面積將進(jìn)一步減少，因為高功率密度必須應(yīng)對有效的熱管理。

最早進(jìn)入市場的寬帶隙 (WBG) 器件之一是 SiC 功率二極管，廣泛滲透到特定領(lǐng)域，包括 PV 轉(zhuǎn)換器和電機(jī)驅(qū)動器。這些器件在效率、更高電壓和熱行為方面提供了即時改進(jìn)。該材料的固有性能帶來了這些優(yōu)勢：SiC 的室溫?zé)釋?dǎo)率高于 300W/mK。

“由于某些特定的層工程，我們的技術(shù)將利用 SiC 材料的特性以及將其優(yōu)勢推向新設(shè)備挑戰(zhàn)的可能性，”Bonnin 說。

溫度因素和開關(guān)頻率是電動汽車設(shè)計中的基本要素。與其合作伙伴 Si 相比，高溫下的穩(wěn)定性和更高開關(guān)頻率下的可操作性涉及減小系統(tǒng)的尺寸和重量，因為組件取代了具有較低外形尺寸的笨重磁性組件。

電氣挑戰(zhàn)將解決開關(guān)模式下的電流泄漏問題，這可能導(dǎo)致過壓和顯著振蕩。由于用于控制功率模塊附近的電流流動的電路布局，可以避免這些問題。

另一個問題與交流電和大地之間的電容耦合有關(guān)：這種耦合變得至關(guān)重要，因為它會產(chǎn)生顯著的電磁干擾。此外，在這種情況下，電源模塊的智能設(shè)計可以幫助減少這種影響。

成本顯然是一個需要考慮的因素：最大的挑戰(zhàn)是 SiC 器件的廣泛采用。電氣特性顯示了它們?nèi)绾物@著降低系統(tǒng)成本，但最重要的是，真正提高了整體效率。SiC 器件將通過新的封裝技術(shù)改變應(yīng)用游戲。