評估 SiC 在汽車行業(yè)之外的潛力

碳化硅 (SiC) 因其更高的開關(guān)頻率和更高的結(jié)溫而被稱為汽車行業(yè)傳統(tǒng) Si IGBT 器件的繼承者。此外，在過去五年中，汽車行業(yè)已成為基于 SiC 的逆變器的公共試驗(yàn)場。事實(shí)證明，通過 SiC 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn) DC 到 AC 的基本轉(zhuǎn)換比硅 (Si) 轉(zhuǎn)換器更小、更輕且更高效，因此寬帶隙器件在汽車行業(yè)的潛力將顯著增長。

然而，電氣化議程不會以汽車開始和結(jié)束。更廣泛的運(yùn)輸應(yīng)用將很快出現(xiàn)，包括卡車和公共汽車、船舶和航運(yùn)、火車的進(jìn)一步電氣化，甚至飛機(jī)。在供應(yīng)方面，并網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)和通過高壓直流 (HVDC) 鏈路傳輸能源對于低碳能源的生產(chǎn)和分配也至關(guān)重要。

這些應(yīng)用程序的一個共同主題是更高系統(tǒng)電壓的潛在作用，因此更高電壓的功率設(shè)備。在電動汽車 (EV) 中，從 400 V 轉(zhuǎn)變?yōu)?800 V 的好處主要是可能的更快充電速率。在太陽能逆變器中，從 1,000-V 到 1,500-V 系統(tǒng)的持續(xù)轉(zhuǎn)變正在減少光伏串、逆變器、電纜和直流接線盒的數(shù)量——所有這些都可以提高效率并節(jié)省成本。在標(biāo)稱電壓為數(shù)百千伏的千兆瓦 HVDC 裝置中，較高的單個設(shè)備額定值會減少多級堆棧中所需的設(shè)備數(shù)量，從而減少維護(hù)和整體系統(tǒng)尺寸。

SiC 功率器件有可能成為這些領(lǐng)域的關(guān)鍵推動力。然而，今天，市場上可用的 SiC 器件范圍非常窄，從 650 V 到 1,200 V，只有少數(shù) 1,700-V 器件可用。雖然 3,300 V 在技術(shù)上看起來觸手可及，但只有GeneSiC和 Microchip 提供此電壓級別的器件。

當(dāng)然，這種對所提供汽車獎品的單一關(guān)注是可以理解的。爭奪該行業(yè)市場份額的競賽導(dǎo)致公司努力提高產(chǎn)能、采用 200 毫米晶圓并提高產(chǎn)量。這為打開高壓市場所需的大量研發(fā)活動留下了空間，相比之下，高壓市場相對較小。

值得慶幸的是，研究部門一直在努力工作，已經(jīng)設(shè)計、制造和試用了許多更高電壓的 SiC 技術(shù)演示器，讓我們很好地了解了 SiC 超結(jié) (SJ) MOSFET、IGBT 和晶閘管的影響?？赡軐@些高壓應(yīng)用。

電壓上升，而不是下降?

650 V 仍將是 SiC MOSFET 的底線，這是一個相當(dāng)安全的預(yù)測。圖 2 顯示了單極極限圖，它描繪了當(dāng)今的商用 SiC 器件，并繪制了它們的電阻與阻斷電壓的關(guān)系圖。這揭示了該技術(shù)的局限性。隨著電壓阻斷漂移區(qū)在 650 V 時的厚度減小到僅 5 μm，器件的電阻已經(jīng)減小到這樣的程度，即來自 SiC 溝道區(qū)和襯底的固定電阻占主導(dǎo)地位，從而阻止了進(jìn)一步縮小尺寸。反抗。雖然在未來幾代中改進(jìn) 650-V MOSFET 似乎有相當(dāng)大的余地，但很難將這些固定電阻降低到足以支持商用 300-V SiC MOSFET 的程度。

在這些低電壓下，沒有通道的器件(例如Qorvo/UnitedSiC 的級聯(lián) JFET)具有 RDS(on) 優(yōu)勢：可以進(jìn)行一些晶圓減薄，從而實(shí)現(xiàn)電阻非常低的 SiC FET。實(shí)際上，考慮到使用行業(yè)兼容的方法可以進(jìn)一步提高 SiC 溝道遷移率的實(shí)際限制，SiC JFET 可能是唯一可以實(shí)現(xiàn)低于 600 V 額定電壓的器件。

擴(kuò)大碳化硅

表示當(dāng)前 SiC 技術(shù)限制的點(diǎn)劃線暗示的是，雖然 SiC 在 650 V 和 1,200 V 是一種很好的技術(shù)，但它有可能在更高的電壓下變得更好。由于漂移區(qū)被縮放到 30 μm 以支持額定電壓為 3.3 kV 的器件，其電阻超過了基板和通道的電阻，從而使器件更接近技術(shù)極限。因此，在未來，經(jīng)過磨練以達(dá)到當(dāng)今 SiC 器件質(zhì)量的高壓 SiC MOSFET 在高達(dá) 10 kV 的電壓下將比現(xiàn)有的 Si 技術(shù)具有更大的優(yōu)勢。

此外，對電網(wǎng)應(yīng)用的更高電壓設(shè)備類型敞開大門，例如 15kV IGBT 和 20+ kV 晶閘管。在通過研磨和 CMP 去除襯底之前，通過在 N+ 襯底上外延生長來開發(fā)這些技術(shù)已經(jīng)取得了足夠的進(jìn)展。此外，生長后的 SiC 中的載流子壽命極低已通過壽命增強(qiáng)氧化工藝得到改善，因此這些額定電壓為 20+ kV 的雙極器件將具有與硅表親相似的低傳導(dǎo)損耗。

從技術(shù)上講，幾乎沒有阻止 SiC MOSFET 技術(shù)的規(guī)模化。3.3-kV 器件在學(xué)術(shù)文獻(xiàn)中已經(jīng)相當(dāng)成熟，并且已經(jīng)存在制造高達(dá)約 10 kV 的優(yōu)質(zhì)外延層所需的技術(shù)。尋找研發(fā)時間和能力來生產(chǎn)這些設(shè)備而不是汽車相關(guān)產(chǎn)品感覺就像是剩下的最大障礙。