幾周前，筆者采訪了 EV Open Platform MIH Consortium的首席執(zhí)行官 Jack Cheng 。我們就他在電動汽車和整個電動汽車行業(yè)的歷史一探究竟。
2018 年，特斯拉在其新款 Model 3 電動汽車中采用了 ST Microelectronics 基于碳化硅的逆變器，顛覆了我們的預期并震撼了電動汽車行業(yè)。它使特斯拉能夠將電動汽車最關鍵的部件之一縮小一半。它激發(fā)了人們對與行業(yè)本身一樣古老的硅技術的新興趣。
在本文中，我們將了解基于碳化硅的功率半導體的強大優(yōu)勢。
碳化硅
碳化硅存在于隕石中，但幾乎無處可尋，世界上幾乎所有的碳化硅都是人工合成的。早在 1890 年，托馬斯·愛迪生 (Thomas Edison) 的助手愛德華·古德里奇·艾奇遜 (Edward Goodrich Acheson) 就首次以工業(yè)數(shù)量生產了它。在尋找制造人造鉆石的方法時，他在電爐中將硅石和碳粉（稱為焦炭）加熱至 2600 攝氏度，這產生了碳化硅的粗晶粒。
他的方法至今仍在工業(yè)中使用——艾奇遜方法。由等量的硅和碳組成，有超過 200 種已知的多晶型晶體，這些是碳化硅多元宇宙中的變體。
目前還不完全理解為什么會有這么多多型體，但它們都有自己獨特的身體特征。但只有三種可用于電子器件：3C、4H 和 6H。3C晶圓在高溫下不穩(wěn)定，目前還沒有商用，所以實際上我們的選擇只有4H和6H。雖然人們已經研究了 6H 變體，但大多數(shù)商業(yè)研究正在鞏固到 4H。
碳化硅極其堅硬，在 1929 年碳化硼被發(fā)明之前，它是人類已知的最硬的合成物質。在工業(yè)上，他們將其用于防彈衣、研磨物體以及用作砂紙的磨料。但在電子產品方面，碳化硅有一個特殊的特性，即它的晶體管可以在比傳統(tǒng)硅更高的電壓、頻率和溫度下工作。
寬帶隙
為什么碳化硅與合成金剛石和氮化鎵等其他材料一起被稱為“寬帶隙”材料？
半導體材料具有稱為價帶和導帶的東西。當電子獲得過多的能量并變得過于興奮時，它們會進入導帶。一旦電子進入導帶，它們就像能夠在某處攜帶電荷的小自由體，被稱為“電荷載體”。
此外，當電子突破價帶時，它們會留下帶正電的空穴（電子是帶負電的），它們也是電荷載體，能夠進行傳導。晶體管之所以起作用，是因為它們可以處于“開”和“關”狀態(tài)。粗略地說，當它們的電子處于導帶時，晶體管就無法關閉，變得毫無用處。
帶隙表示使電子跳出價帶并進入導帶所需的能量?？刂婆c失控之間的緩沖區(qū)。緩沖區(qū)越寬，跳頻所需的能量就越多。碳化硅不僅具有超寬帶隙，而且還是一種出色的熱導體。比傳統(tǒng)硅好三倍，僅次于金剛石。這種傳導性使得從任何此類設備中提取和散發(fā)熱量變得更加容易。
商用硅半導體在突破帶隙之前的最高溫度約為 175 攝氏度。但是，碳化硅可以達到 300 攝氏度甚至更高，如果使用得當，甚至可能達到 900 度。這種寬帶隙的應用不僅僅是耐熱性。隨著功率器件中電壓的增加，它們的電場也會變強。當磁場變得足夠強大時，設備就會遭受所謂的雪崩效應。原子分解并釋放大量的自由載流子，導致非常大的電流流過材料。類似于溫度情況。
碳化硅在這種雪崩效應爆發(fā)前的臨界電場極限是傳統(tǒng)硅的八到十倍。這意味著碳化硅器件可以處理比硅高很多倍的電壓。既然我們了解了碳化硅的特殊能力及其存在的原因，我們現(xiàn)在可以轉向電動汽車，以及電動汽車如何使用它們。
圖片 電動汽車和功率半導體
每輛電動汽車都有電力電子設備。與電池和電動牽引電機一起，電力電子技術是實現(xiàn)當今實用電動汽車的三大技術之一。電力電子系統(tǒng)有助于為電池充電并為電機供電。它們通常由四個組件組成，但可以說最重要的是逆變器。
電流有兩種類型：交流電或 AC 和直流電或 DC。交流電將在一段時間內沿一個方向流動，然后在剩余的時間段內反向流動至另一個方向。另一方面，DC 僅沿一個方向流動。逆變器將來自 EV 電池的直流電轉換為 EV 電機用來平穩(wěn)運行的交流電。這稱為“切換”。執(zhí)行相反方向（從交流到直流）的電路稱為整流器。
硅基電力電子
今天，許多這些電力電子產品都是硅基的。兩種最流行的功率開關器件是絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和功率金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）。硅基 MOSFET 適用于低電壓、低功率和高頻應用，它們主導著 600 伏以下應用的市場。
硅基 IGBT 器件用于高壓、大功率和低頻應用，它們在 600 伏和 6.5 千伏之間的應用市場占據(jù)主導地位。Model 3 之前的大多數(shù) EV 逆變器都使用 IGBT 晶體管。
問題是你是否想超越 6.5 千伏的限制。超越這一點，電場就會變得強大到足以讓傳統(tǒng)的硅電力電子設備面臨挑戰(zhàn)。
經濟性考慮
當今的現(xiàn)代電力電子產品面臨著更多的市場壓力。EV 驅動技術的成功在很大程度上取決于電力電子設備在降低運營成本的同時切換電源的效率。開關過程中的低效率導致功率損耗，這表現(xiàn)為過熱和額外的能量需求。
此外，電力電子電路放置在噴氣式渦輪機或汽車發(fā)動機附近，溫度高達 225 攝氏度或更高的非常惡劣的環(huán)境。由于硅固有的溫度限制，這些電力電子設備必須設計有主動或被動冷卻系統(tǒng)。但是這些系統(tǒng)——風冷散熱器、直接接觸液體冷卻、液體冷板等等，從來沒有像我們希望的那樣有效。
這些冷卻系統(tǒng)也很重并且增加了整個系統(tǒng)的成本。更重、更耗能的電動汽車無法像傳統(tǒng)汽車那樣行駛得更遠或行駛得更快，這降低了它們的整體競爭力。增量研究仍在繼續(xù)，但這是基于商用碳化硅的功率晶體管可以徹底改變事物的地方。
由于其更寬的帶隙，基于碳化硅的電力電子設備可以在高達十倍的溫度、高達十倍的電壓和高達五倍的開關頻率下工作，它是一種顛覆性技術。
自 1950 年代電力電子首次進入市場以來，人們就看到了碳化硅在電力電子領域的巨大潛力。那么為什么我們直到最近才在市場上看到基于碳化硅的電力電子產品呢？
實際答案很簡單，與材料本身有關。碳化硅的優(yōu)點也造成了它的缺點——生產足夠的高純度碳化硅晶圓很困難。
圖片來源：拍信網正版圖庫
碳化硅晶片
今天，硅片是通過首先制造一個大的硅晶體來制造的。這種晶體是通過提拉法制造的，通過將種子反復浸入熔融的硅熔體中來生長大晶體，該方法已成功地讓我們制造出當今最大的晶圓。如果沒有液態(tài)硅熔體，Czochralski 方法就不起作用。但是碳化硅的固態(tài)直接轉變?yōu)闅鈶B(tài)，而沒有先變成液態(tài)。用一個化學短語來說——它在融化之前升華。
正因為如此，沒有熔體，所以我們傳統(tǒng)的硅方法無法制造碳化硅晶片。我們需要從氣體中生長碳化硅晶體。直到 1950 年代，生產碳化硅晶體的唯一方法是通過艾奇遜法——將二氧化硅和焦炭混合到電弧爐中并讓它燃燒的方法。這對于制作砂紙來說效果很好，但很難滿足電子設備的純度要求。
1954 年，飛利浦電子公司的 Jan Anthony Lely 發(fā)現(xiàn)了 Lely 方法。拿一根多孔石墨管并用碳化硅包圍它，然后將管子加熱到 2,500 攝氏，碳化硅會擴散到管子內部并在較冷的部分結晶。Lely 的早期方法創(chuàng)建了隨機大小的六邊形多型晶體。這是向前邁出的一步，但仍不適用于晶圓。
因此在 1978 年，兩位蘇聯(lián)科學家 Tairov 和 Tsvetkov 對 Lely 過程進行了修改以修復其缺點。它的工作原理大致相同，但通過非常小心地控制溫度和壓力，科學家們可以生長出單一多型體的大晶體。
這種改進的 Lely 方法，稱為物理氣相傳輸或 PVT 。意味著人們可以以每小時幾毫米的速度生長一種純碳化硅多晶型的晶錠。然而，它并不完美。
公司仍在努力制造更大尺寸的晶圓 （200 毫米左右 ）并且缺陷率并不是人們想要的。使晶圓符合標準可能是該工藝面臨的最大挑戰(zhàn)，但并不是唯一的挑戰(zhàn)。碳化硅在半導體加工中提出了一些其他挑戰(zhàn)。
例如，您只能使用合成鉆石切割晶圓，這會增加整體成本。還有就是純碳化硅是絕緣體，所以需要摻雜才能導電。但是將摻雜劑擴散到碳化硅中需要非常高的溫度，因此需要其他方法。
圖片 碳化硅電力電子
英飛凌于 2001 年推出了首款商用碳化硅功率器，一種肖特基二極管。與傳統(tǒng)的硅變體相比具有巨大優(yōu)勢。下一個主要的新商業(yè)化產品是碳化硅 MOSFET，功率MOSFET由于開關速度快，適合高壓大電流應用而被工業(yè)界廣泛使用。
碳化硅 MOSFET 芯片于 2010 年由一家名為 Cree 的北卡羅來納州公司首次商業(yè)化。他們最近于 2021 年 10 月更名為 Wolfspeed。其他公司很快進入該領域，包括 ST Microelectronics、ROHM、Infineon 和 Microsemi。電動汽車逆變器市場已經發(fā)展成為一個價值數(shù)十億美元的市場。同時，改進的制造工藝降低了新設備的成本。
在晶體管和二極管組件成本改善的推動下，2013 年每個逆變器單元的成本已降至 450 美元左右，到 2020 年已降至約 450 美元。盡管與傳統(tǒng)硅器件仍然存在價格差距，但價格差距已大大縮小。
但即使存在價格差距，您也可以設計和部署連接冷卻系統(tǒng)少得多的逆變器。這些空間、成本和尺寸的節(jié)省確實加起來了，人們預計碳化硅 MOSFET 將開始在其傳統(tǒng)市場據(jù)點中挑戰(zhàn)硅 IGBT。
對于碳化硅來說，這是一個激動人心的時刻。（文：半導體產業(yè)縱橫（ID:ICVIEWS）編譯自asianometry）
更多SiC和GaN的市場資訊，請關注微信公眾賬號：集邦化合物半導體。