Warum ist SiC so „göttlich“?

Im Vergleich zu Leistungshalbleitern auf Siliziumbasis weisen SiC-Leistungshalbleiter (Siliziumkarbid) erhebliche Vorteile hinsichtlich Schaltfrequenz, Verlust, Wärmeableitung, Miniaturisierung usw. auf.

Mit der Massenproduktion von Siliziumkarbid-Wechselrichtern durch Tesla haben auch immer mehr Unternehmen begonnen, Siliziumkarbid-Produkte auf den Markt zu bringen.

SiC ist so „erstaunlich“, wie zum Teufel wurde es hergestellt? Welche Anwendungen gibt es jetzt? Mal sehen!

01 ☆ Geburt eines SiC

Wie andere Leistungshalbleiter umfasst auch die Industriekette SiC-MOSFETdie lange Verbindung Kristall – Substrat – Epitaxie – Design – Herstellung – Verpackung. 

Langer Kristall

Während der langen Kristallverbindung verwendet Siliziumkarbid im Gegensatz zur Herstellung von einkristallinem Silizium nach der Tira-Methode hauptsächlich die physikalische Gastransportmethode (PVT, auch als verbesserte Lly- oder Keimkristallsublimationsmethode bekannt) und die chemische Gasabscheidungsmethode bei hoher Temperatur (HTCVD). ) Ergänzungen.

☆ Kernschritt

1. Kohlenstoffhaltiger fester Rohstoff;

2. Nach dem Erhitzen wird der Karbidfeststoff gasförmig;

3. Gas bewegt sich zur Oberfläche des Impfkristalls;

4. Gas wächst auf der Oberfläche des Impfkristalls zu einem Kristall.

Bildquelle: „Technischer Punkt zur Demontage von PVT-Wachstums-Siliziumkarbid“

Durch unterschiedliche Handwerkskunst ergeben sich zwei große Nachteile gegenüber der Silikonbasis:

Erstens ist die Produktion schwierig und die Ausbeute gering.Die Temperatur der kohlenstoffbasierten Gasphase steigt auf über 2300 °C und der Druck beträgt 350 MPa. Die gesamte dunkle Box wird durchgeführt, und es ist leicht, Verunreinigungen einzumischen. Die Ausbeute ist geringer als bei der Siliziumbasis. Je größer der Durchmesser, desto geringer ist die Ausbeute.

Das zweite ist langsames Wachstum.Die Steuerung der PVT-Methode ist sehr langsam, die Geschwindigkeit beträgt etwa 0,3–0,5 mm/h und es kann in 7 Tagen um 2 cm wachsen. Das Maximum kann nur 3-5 cm wachsen, und der Durchmesser des Kristallbarrens beträgt meist 4 Zoll und 6 Zoll.

Der auf Silizium basierende 72H kann bis zu einer Höhe von 2–3 m wachsen, mit einem Durchmesser von meist 6 Zoll und einer neuen Produktionskapazität von 12 Zoll.Daher wird Siliziumkarbid oft als Kristallbarren bezeichnet und Silizium wird zu einem Kristallstab.

Hartmetall-Siliziumkristallbarren

Substrat

Nachdem der lange Kristall fertiggestellt ist, tritt er in den Produktionsprozess des Substrats ein.

Nach gezieltem Schneiden, Schleifen (Grobschleifen, Feinschleifen), Polieren (mechanisches Polieren), Ultrapräzisionspolieren (chemisch-mechanisches Polieren) entsteht das Siliziumkarbid-Substrat.

Das Substrat spielt hauptsächlich eine Rolledie Rolle der physischen Unterstützung, der Wärmeleitfähigkeit und der Leitfähigkeit.Die Schwierigkeit bei der Verarbeitung besteht darin, dass das Siliziumkarbidmaterial hoch, knusprig und in seinen chemischen Eigenschaften stabil ist. Daher sind herkömmliche Verarbeitungsmethoden auf Siliziumbasis nicht für Siliziumkarbidsubstrate geeignet.

Die Qualität des Schneideffekts wirkt sich direkt auf die Leistung und Nutzungseffizienz (Kosten) von Siliziumkarbidprodukten aus. Daher müssen sie klein, gleichmäßig dick und schnittarm sein.

Derzeit,4-Zoll und 6-Zoll verwenden hauptsächlich Mehrlinien-Schneidegeräte.Schneiden von Siliziumkristallen in dünne Scheiben mit einer Dicke von nicht mehr als 1 mm.

Mehrzeiliges Schnittdiagramm

Mit zunehmender Größe karbonisierter Siliziumwafer werden künftig auch die Anforderungen an die Materialausnutzung zunehmen und nach und nach auch Technologien wie Laserschneiden und Kalttrennung zum Einsatz kommen.

Im Jahr 2018 erwarb Infineon die Siltectra GmbH, die ein innovatives Verfahren namens Kaltcracken entwickelte.

Im Vergleich zum herkömmlichen Mehrdraht-Schneideverfahren beträgt der Verlust 1/4,Durch den Kaltrissprozess ging nur 1/8 des Siliziumkarbidmaterials verloren.

Verlängerung

Da das Siliziumkarbidmaterial keine Leistungsbauelemente direkt auf dem Substrat herstellen kann, sind auf der Erweiterungsschicht verschiedene Bauelemente erforderlich.

Daher wird nach Abschluss der Produktion des Substrats durch den Erweiterungsprozess ein spezifischer einkristalliner Dünnfilm auf dem Substrat gezüchtet.

Derzeit wird hauptsächlich das chemische Gasabscheidungsverfahren (CVD) verwendet.

Design

Nachdem das Substrat hergestellt wurde, geht es in die Produktdesignphase.

Bei MOSFETs liegt der Schwerpunkt des Designprozesses auf der Gestaltung der Nut.Einerseits um Patentverletzungen zu vermeiden(Infineon, Rohm, ST usw. haben Patentlayout) und andererseits zudie Herstellbarkeit und die Herstellungskosten erfüllen.

Waferherstellung

Nachdem das Produktdesign abgeschlossen ist, geht es in die Phase der Waferherstellung.und der Prozess ähnelt in etwa dem von Silizium, das hauptsächlich die folgenden 5 Schritte umfasst.

☆Schritt 1: Injizieren Sie die Maske

Eine Schicht eines Siliziumoxidfilms (SiO2) wird hergestellt, der Fotolack wird aufgetragen, das Fotolackmuster wird durch die Schritte Homogenisierung, Belichtung, Entwicklung usw. gebildet und die Figur wird durch den Ätzprozess auf den Oxidfilm übertragen.

☆Schritt 2: Ionenimplantation

Der maskierte Siliziumkarbidwafer wird in einen Ionenimplantierer gelegt, wo Aluminiumionen injiziert werden, um eine Dotierungszone vom P-Typ zu bilden, und getempert, um die implantierten Aluminiumionen zu aktivieren.

Der Oxidfilm wird entfernt, Stickstoffionen werden in einen bestimmten Bereich des P-Typ-Dotierungsbereichs injiziert, um einen N-Typ-leitenden Bereich von Drain und Source zu bilden, und die implantierten Stickstoffionen werden ausgeheilt, um sie zu aktivieren.

☆Schritt 3: Erstellen Sie das Gitter

Machen Sie das Gitter. Im Bereich zwischen Source und Drain wird die Gate-Oxidschicht durch einen Hochtemperatur-Oxidationsprozess hergestellt und die Gate-Elektrodenschicht abgeschieden, um die Gate-Steuerstruktur zu bilden.

☆Schritt 4: Passivierungsschichten herstellen

Passivierungsschicht wird hergestellt. Tragen Sie eine Passivierungsschicht mit guten Isolationseigenschaften auf, um einen Durchschlag zwischen den Elektroden zu verhindern.

☆Schritt 5: Drain-Source-Elektroden herstellen

Machen Sie Abfluss und Quelle. Die Passivierungsschicht wird perforiert und Metall wird aufgesputtert, um einen Drain und eine Source zu bilden.

Fotoquelle: Xinxi Capital

Obwohl es aufgrund der Eigenschaften von Siliziumkarbidmaterialien nur geringe Unterschiede zwischen der Prozessebene und Siliziumbasis gibt,Die Ionenimplantation und das Ausheilen müssen in einer Hochtemperaturumgebung durchgeführt werden(bis zu 1600 ° C), hohe Temperaturen beeinflussen die Gitterstruktur des Materials selbst und die Schwierigkeit wirkt sich auch auf die Ausbeute aus.

Darüber hinaus gilt für MOSFET-Komponenten:Die Qualität des Gate-Sauerstoffs wirkt sich direkt auf die Kanalmobilität und die Gate-Zuverlässigkeit aus, weil es im Siliziumkarbidmaterial zwei Arten von Silizium- und Kohlenstoffatomen gibt.

Daher ist ein spezielles Gate-Medium-Wachstumsverfahren erforderlich (ein weiterer Punkt ist, dass die Siliziumkarbidfolie transparent ist und die Positionsausrichtung in der Fotolithografiestufe für Silizium schwierig ist).

Nach Abschluss der Waferherstellung wird der einzelne Chip in einen Bare-Chip zerschnitten und kann entsprechend dem Verwendungszweck verpackt werden. Der übliche Prozess für diskrete Geräte ist das TO-Paket.

650-V-CoolSiC™-MOSFETs im TO-247-Gehäuse

Foto: Infineon

Im Automobilbereich werden hohe Anforderungen an die Leistung und Wärmeableitung gestellt, und manchmal ist es erforderlich, Brückenschaltungen direkt aufzubauen (Halbbrücke oder Vollbrücke oder direkt mit Dioden bestückt).

Daher wird es oft direkt in Module oder Systeme verpackt. Abhängig von der Anzahl der in einem einzelnen Modul verpackten Chips ist die übliche Form 1 zu 1 (BorgWarner), 6 zu 1 (Infineon) usw., und einige Unternehmen verwenden ein Ein-Röhren-Parallelschema.

Borgwarner Viper

Unterstützt doppelseitige Wasserkühlung und SiC-MOSFET

Infineon CoolSiC™ MOSFET-Module

Im Gegensatz zu SiliziumSiliziumkarbidmodule arbeiten bei einer höheren Temperatur, etwa 200 °C.

Herkömmliche Weichlottemperaturen haben einen niedrigen Schmelzpunkt und können die Temperaturanforderungen nicht erfüllen. Daher verwenden Siliziumkarbidmodule häufig das Niedertemperatur-Silbersinterschweißverfahren.

Nach Fertigstellung des Moduls kann es auf das Teilesystem angewendet werden.

Tesla Model3 Motorsteuerung

Der Bare-Chip stammt von ST, selbst entwickeltes Gehäuse und elektrisches Antriebssystem

☆02 Anwendungsstatus von SiC?

Im Automobilbereich werden hauptsächlich Leistungsgeräte eingesetztDCDC, OBC, Motorwechselrichter, elektrische Klimaanlagenwechselrichter, kabelloses Laden und andere Teiledie eine schnelle AC/DC-Wandlung erfordern (DCDC fungiert hauptsächlich als schneller Schalter).

Foto: BorgWarner

Im Vergleich zu Materialien auf Siliziumbasis weisen SIC-Materialien höhere Werte aufkritische Lawinendurchschlagsfeldstärke(3×106V/cm),bessere Wärmeleitfähigkeit(49W/mK) undgrößere Bandlücke(3,26 eV).

Je größer die Bandlücke, desto kleiner ist der Leckstrom und desto höher ist der Wirkungsgrad. Je besser die Wärmeleitfähigkeit, desto höher ist die Stromdichte. Je stärker das kritische Lawinendurchschlagsfeld ist, desto besser kann die Spannungsfestigkeit des Gerätes verbessert werden.

Daher können im Bereich der Bordhochspannung MOSFETs und SBDs, die aus Siliziumkarbidmaterialien hergestellt werden und die bestehende Kombination aus IGBT und FRD auf Siliziumbasis ersetzen, Leistung und Effizienz effektiv verbessern.insbesondere in hochfrequenten Anwendungsszenarien zur Reduzierung von Schaltverlusten.

Derzeit ist es am wahrscheinlichsten, dass es groß angelegte Anwendungen bei Motorwechselrichtern erreicht, gefolgt von OBC und DCDC.

800-V-Spannungsplattform

Bei der 800-V-Spannungsplattform führt der Vorteil der Hochfrequenz dazu, dass Unternehmen eher dazu neigen, sich für eine SiC-MOSFET-Lösung zu entscheiden. Daher sind die meisten aktuellen 800-V-Elektroniksteuerungen SiC-MOSFETs.

Die Planung auf Plattformebene umfasstmodernes E-GMP, GM Otenergy – Pickup-Feld, Porsche PPE und Tesla EPA.Mit Ausnahme der Porsche PPE-Plattformmodelle, die nicht explizit über SiC-MOSFET verfügen (das erste Modell ist ein IGBT auf Siliziumbasis), verwenden andere Fahrzeugplattformen SiC-MOSFET-Systeme.

Universelle Ultra-Energieplattform

800V-Modellplanung ist mehr,die Marke Jiagirong des Great Wall Salon, Beiqi Pole Fox S HI-Version, ideales Auto S01 und W01, Xiaopeng G9, BMW NK1, Changan Avita E11 sagte, dass es eine 800-V-Plattform tragen wird, zusätzlich zu BYD, Lantu, GAC 'an, Mercedes-Benz, Zero Run, FAW Red Flag, Volkswagen sagte auch 800-V-Technologie in der Forschung.

Ausgehend von der Situation der 800-V-Bestellungen, die von Tier1-Lieferanten erhalten wurden,BorgWarner, Wipai Technology, ZF, United Electronics und Huichuanalle angekündigten 800-V-Elektroantriebsbestellungen.

400-V-Spannungsplattform

Bei der 400-V-Spannungsplattform stehen SiC-MOSFETs vor allem im Hinblick auf eine hohe Leistung und Leistungsdichte sowie einen hohen Wirkungsgrad.

Wie der Tesla Model 3\Y-Motor, der jetzt in Massenproduktion hergestellt wird, beträgt die Spitzenleistung des BYD Hanhou-Motors etwa 200 kW (Tesla 202 kW, 194 kW, 220 kW, BYD 180 kW). NIO wird ab ET7 auch SiC-MOSFET-Produkte verwenden und der ET5, der später aufgeführt wird. Die Spitzenleistung beträgt 240 kW (ET5 210 kW).

Darüber hinaus prüfen einige Unternehmen unter dem Gesichtspunkt einer hohen Effizienz auch die Machbarkeit von SiC-MOSFET-Produkten mit Hilfsflutung.