電動(dòng)汽車、電信和工業(yè)應(yīng)用對(duì)技術(shù)的需求不斷增長(zhǎng)，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(jì)劃。該計(jì)劃旨在提供技術(shù)和產(chǎn)品，以提高下一代電動(dòng)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(chǎng)和聯(lián)盟高級(jí)副總裁 Steve Ghanayem 說(shuō)。

使用功率器件進(jìn)行設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了更高的功率密度、電壓、溫度和頻率，同時(shí)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。” Soitec 復(fù)合業(yè)務(wù)部門總經(jīng)理 Olivier Bonnin 說(shuō)。

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(lái)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(shuō)。

電動(dòng)汽車的未來(lái)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(duì) 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(jì)數(shù)據(jù)稱，SiC 功率器件市場(chǎng)將從今天的 5.6 億美元增長(zhǎng)到 2024 年的 20 億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率為 28%?！癝iC 很可能成為未來(lái)十年的首選材料，”Bonnin 說(shuō)。

與應(yīng)用材料公司的技術(shù)開發(fā)計(jì)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(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，”Bonnin 說(shuō)。

“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(gè)優(yōu)質(zhì) SiC 晶圓轉(zhuǎn)變成多個(gè)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(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。這會(huì)產(chǎn)生具有高質(zhì)量表面的多個(gè)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(shí)現(xiàn)顯著改進(jìn)。” 奧利維爾說(shuō)。

每個(gè)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?yàn)楦吖β拭芏缺仨殤?yīng)對(duì)有效的熱管理。

最早進(jìn)入市場(chǎng)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(dòng)器。這些器件在效率、更高電壓和熱行為方面提供了即時(shí)改進(jìn)。該材料的固有性能帶來(lái)了這些優(yōu)勢(shì)：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(shì)推向新設(shè)備挑戰(zhàn)的可能性，”Bonnin 說(shuō)。

溫度因素和開關(guān)頻率是電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)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?yàn)榻M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(dòng)的電路布局，可以避免這些問題。

另一個(gè)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?yàn)樗鼤?huì)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(jì)可以幫助減少這種影響。

成本顯然是一個(gè)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。