相比硅基功率半導(dǎo)體,SiC(碳化硅)功率半導(dǎo)體在開關(guān)頻率、損耗、散熱、小型化等方面存在顯著優(yōu)勢。
隨著特斯拉大規(guī)模量產(chǎn)碳化硅逆變器之后,更多的企業(yè)也開始落地碳化硅產(chǎn)品。
SiC那么“神乎其神”,究竟是怎么造出來的?現(xiàn)在都有哪些應(yīng)用?一起來看!
〖 一顆SiC的誕生 〗
和其他功率半導(dǎo)體一樣,SiC-MOSFET產(chǎn)業(yè)鏈包括長晶-襯底-外延-設(shè)計(jì)-制造-封裝環(huán)節(jié)。
◇ 長晶 ◇
長晶環(huán)節(jié)中,和單晶硅使用的提拉法工藝制備不同,碳化硅主要采用物理氣相輸運(yùn)法(PVT,也稱為改良的Lely法或籽晶升華法),高溫化學(xué)氣相沉積法(HTCVD)作為補(bǔ)充。
核心步驟
1.碳化硅固體原料;
2.加熱后碳化硅固體變成氣體;
3.氣體移動到籽晶表面;
4.氣體在籽晶表面生長為晶體。
圖源:《拆解PVT生長碳化硅的技術(shù)點(diǎn)》
工藝的不同,導(dǎo)致碳化硅長晶環(huán)節(jié)相比硅基而言,有兩大劣勢:
一是生產(chǎn)難度大,良率較低。碳化硅氣相生長的溫度在2300℃以上,壓力350MPa。全程暗箱進(jìn)行,易混入雜質(zhì),良率低于硅基,直徑越大,良率越低。
二是生長速度慢。PVT法生長非常緩慢,速度約為0.3-0.5mm/h,7天才能生長2cm,并且最高也僅能生長3-5cm,晶錠的直徑也多為4英寸、6英寸。
而硅基72h即可生長至2-3m的高度,直徑多為6英寸、8英寸新投產(chǎn)能則多為12英寸。因此碳化硅的常稱之為晶錠,硅則成為晶棒。
碳化硅晶錠
◇ 襯底 ◇
長晶完成后,就進(jìn)入襯底生產(chǎn)環(huán)節(jié)。經(jīng)過定向切割、研磨(粗研磨、精研磨)、拋光(機(jī)械拋光)、超精密拋光(化學(xué)機(jī)械拋光),得到碳化硅襯底。
襯底主要起到物理支撐、導(dǎo)熱和導(dǎo)電的作用。加工的難點(diǎn)在于碳化硅材料硬度高、脆性大、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,因此傳統(tǒng)硅基加工的方式不適用于碳化硅襯底。
切割效果的好壞直接影響碳化硅產(chǎn)品的性能和利用效率(成本),因此要求翹曲度小、厚度均勻、低切損。
目前4英寸、6英寸主要采用多線切割設(shè)備,將碳化硅晶體切割成厚度不超過1mm的薄片。
多線切割示意圖
未來隨著碳化硅晶圓尺寸的加大,對材料利用率要求的提升,激光切片、冷分離等技術(shù)也將逐步得到應(yīng)用。
英飛凌曾在2018年收購Siltectra GmbH,后者開發(fā)了一種成為冷裂的創(chuàng)新工藝。相比傳統(tǒng)的多線切割工藝損失1/4,冷裂工藝只損失1/8的碳化硅材料。
◇ 外延 ◇
由于碳化硅材料不能直接在襯底上制作功率器件,需額外在外延層上制造各種器件。因此襯底制作完成后,經(jīng)過外延工藝在襯底上生長出特定的單晶薄膜,襯底晶片和外延薄膜合稱外延片。
目前主要采用化學(xué)氣相沉積法(CVD)工藝制作。
◇ 設(shè)計(jì) ◇
襯底制作完成后,則進(jìn)入產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段。
對于MOSFET而言,設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的重點(diǎn)是溝槽的設(shè)計(jì),一方面要避免專利侵權(quán)(英飛凌、羅姆、意法半導(dǎo)體等均有專利布局),另外則是滿足可制造性和制造成本。
◇ 晶圓制造 ◇
產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后便進(jìn)入晶圓制造階段,工藝大體與硅基類似,主要有以下5步。
第一步:注入掩膜
圖形化氧化膜,制作一層氧化硅(SiO2)薄膜,涂布光刻膠,經(jīng)過勻膠、曝光、顯影等步驟形成光刻膠圖形,最后通過刻蝕工藝將圖形轉(zhuǎn)移到氧化膜上。
第二步:離子注入
將做好掩膜的碳化硅晶圓放入離子注入機(jī),注入鋁離子以形成p型摻雜區(qū),并退火以激活注入的鋁離子。
移除氧化膜,在p型摻雜區(qū)的特定區(qū)域注入氮離子以形成漏極和源極的n型導(dǎo)電區(qū),退火以激活注入的氮離子。
第三步:制作柵極
制作柵極。在源極與漏極之間區(qū)域,采用高溫氧化工藝制作柵極氧化層,并沉積柵電極層,形成柵極控制結(jié)構(gòu)。
第四部:制作鈍化層
制作鈍化層。沉積一層絕緣特性良好的鈍化層,防止電極間擊穿。
第五步:制作漏源電極
制作漏極和源極。在鈍化層上開孔,并濺射金屬形成漏極和源極。
圖源:信熹資本
雖然工藝層面與硅基差別不大,但由于碳化硅材料的特性,離子注入和退火均需在高溫環(huán)境下進(jìn)行(最高1600℃),高溫會影響材料本身的晶格結(jié)構(gòu),難度上升的同時也會影響良率。
此外,對于MOSFET部件而言,柵氧的質(zhì)量直接影響溝道的遷移率和柵極可靠性,由于碳化硅材料中同時存在有硅和碳兩種原子。
因此需要特殊的柵介質(zhì)生長方法(還有一點(diǎn)是碳化硅片是透明的,光刻階段位置對準(zhǔn)也難于硅基)。
晶圓制造完成后,將單個芯片切割成裸芯片后,即可根據(jù)用途進(jìn)行封裝。分立器件常見的工藝為TO封裝。
采用TO-247封裝的650V CoolSiC? MOSFET(圖源:英飛凌)
車載領(lǐng)域由于功率和散熱要求高,并且有時需要直接搭建橋式電路(半橋或者全橋,或直接和二極管一同封裝)。因此常直接封裝成模塊或者系統(tǒng)。
根據(jù)單個模塊封裝的芯片數(shù)量,常見的形式有1 in 1(博格華納)、6 in 1(英飛凌)等,部分企業(yè)采用單管并聯(lián)的方案。
博格華納Viper 支持雙面水冷、支持SiC-MOSFET
英飛凌CoolSiC?
MOSFET模塊和硅基不同,碳化硅模塊工作溫度較高,大約在200℃左右。
傳統(tǒng)的軟釬焊料溫度熔點(diǎn)溫度較低,無法滿足溫度要求。所以碳化硅模塊常采用低溫銀燒結(jié)焊接工藝。
模塊制作完成后便可應(yīng)用至零部件系統(tǒng)中。
特斯拉Model3電機(jī)控制器
裸芯片來自ST,自研封裝和電驅(qū)動系統(tǒng)
〖 SiC的應(yīng)用現(xiàn)狀 〗
車載領(lǐng)域,功率器件主要用在DCDC、OBC、電機(jī)逆變器、電動空調(diào)逆變器、無線充電等需要AC/DC快速轉(zhuǎn)換的部件中(DCDC中主要充當(dāng)快速開關(guān))。
圖源:博格華納
相比硅基材料,碳化硅材料擁有更高的臨界雪崩擊穿場強(qiáng)(3×106V/cm)、更好的導(dǎo)熱性能(49W/mK)和更寬的禁帶(3.26eV)。
禁帶越寬,漏電流也就越小,效率也越高。導(dǎo)熱性能越好,則電流密度就越高。臨界雪崩擊穿場越強(qiáng),則可以提升器件的耐壓性能。
因此在車載高壓領(lǐng)域,由碳化硅材料制備的MOSFET和SBD來替代現(xiàn)有的硅基IGBT和FRD的組合能有效提升功率和效率,尤其是在高頻應(yīng)用場景中降低開關(guān)損耗。
目前最有可能在電機(jī)逆變器中實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用,其次為OBC和DCDC。
◇ 800V電壓平臺 ◇
在800V電壓平臺中,高頻的優(yōu)勢使得企業(yè)更傾向選擇SiC-MOSFET方案。因此目前800V電控大部分規(guī)劃SiC-MOSFET。
平臺級別的規(guī)劃有現(xiàn)代E-GMP、通用奧特能-皮卡領(lǐng)域、保時捷PPE、路特斯EPA,除保時捷PPE平臺車型未明確搭載SiC-MOSFET外(首款車型為硅基IGBT),其他車企平臺均采用SiC-MOSFET方案。
通用奧特能平臺
800V車型規(guī)劃的話就更多了,長城沙龍品牌機(jī)甲龍、北汽極狐S HI版、理想汽車S01和W01、小鵬G9、寶馬NK1、長安阿維塔E11均表示將搭載800V平臺,此外比亞迪、嵐圖、廣汽埃安、奔馳、零跑、一汽紅旗、大眾等也表示800V技術(shù)在研。
從Tier1供應(yīng)商800V訂單獲取的情況來看,博格華納、緯湃科技、ZF、聯(lián)合電子、匯川均宣布獲得800V電驅(qū)動訂單。
◇ 400V電壓平臺 ◇
而在400V電壓平臺中,SiC-MOSFET則主要處于高功率以及功率密度和高效率的考量。
如現(xiàn)在已經(jīng)量產(chǎn)的特斯拉Model 3\Y后電機(jī),比亞迪漢后電機(jī)峰值功率200Kw左右(特斯拉202Kw、194Kw、220Kw,比亞迪180Kw),蔚來從ET7開始以及后續(xù)上市的ET5也將采用SiC-MOSFET產(chǎn)品,峰值功率為240Kw(ET5為210Kw)。
此外,從高效率角度來考慮部分企業(yè)也在探索輔驅(qū)用SiC-MOSFET產(chǎn)品的可行性。
◇ 其他產(chǎn)品 ◇
除電控產(chǎn)品外,部分企業(yè)在OBC和DCDC產(chǎn)品中也逐步采用SiC-MOSFET產(chǎn)品,如欣銳科技已經(jīng)在小三電(OBC產(chǎn)品)中采用該方案。
綜合來看,僅電控產(chǎn)品來看SiC-MOSFET在800V平臺的應(yīng)用確定性要強(qiáng)于400V平臺,而對于小三電產(chǎn)品中,當(dāng)下最大的制約因素為材料成本,短期替代性不強(qiáng)。