碳化硅 (SiC) 因其更高的開關頻率和更高的結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場。事實證明，通過 SiC 轉換器實現(xiàn) DC 到 AC 的基本轉換比硅 (Si) 轉換器更小、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束。更廣泛的運輸應用將很快出現(xiàn)，包括卡車和公共汽車、船舶和航運、火車的進一步電氣化，甚至飛機。在供應方面，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)和分配也至關重要。
這些應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備。在電動汽車 (EV) 中，從 400 V 轉變?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。在標稱電壓為數(shù)百千伏的千兆瓦 HVDC 裝置中，較高的單個設備額定值會減少多級堆棧中所需的設備數(shù)量，從而減少維護和整體系統(tǒng)尺寸。
SiC 功率器件有可能成為這些領域的關鍵推動力。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。
當然，這種對所提供汽車獎品的單一關注是可以理解的。爭奪該行業(yè)市場份額的競賽導致公司努力提高產(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)設計、制造和試用了許多更高電壓的 SiC 技術演示器，讓我們很好地了解了 SiC 超結 (SJ) MOSFET、IGBT 和晶閘管的影響。可能對這些高壓應用。
電壓上升，而不是下降?
650 V 仍將是 SiC MOSFET 的底線，這是一個相當安全的預測。圖 2 顯示了單極極限圖，它描繪了當今的商用 SiC 器件，并繪制了它們的電阻與阻斷電壓的關系圖。這揭示了該技術的局限性。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地位，從而阻止了進一步縮小尺寸。反抗。雖然在未來幾代中改進 650-V MOSFET 似乎有相當大的余地，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：可以進行一些晶圓減薄，從而實現(xiàn)電阻非常低的 SiC FET。實際上，考慮到使用行業(yè)兼容的方法可以進一步提高 SiC 溝道遷移率的實際限制，SiC JFET 可能是唯一可以實現(xiàn)低于 600 V 額定電壓的器件。
擴大碳化硅
表示當前 SiC 技術限制的點劃線暗示的是，雖然 SiC 在 650 V 和 1,200 V 是一種很好的技術，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極限。因此，在未來，經(jīng)過磨練以達到當今 SiC 器件質量的高壓 SiC MOSFET 在高達 10 kV 的電壓下將比現(xiàn)有的 Si 技術具有更大的優(yōu)勢。
此外，對電網(wǎng)應用的更高電壓設備類型敞開大門，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)這些技術已經(jīng)取得了足夠的進展。此外，生長后的 SiC 中的載流子壽命極低已通過壽命增強氧化工藝得到改善，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損耗。
從技術上講，幾乎沒有阻止 SiC MOSFET 技術的規(guī)?；?。3.3-kV 器件在學術文獻中已經(jīng)相當成熟，并且已經(jīng)存在制造高達約 10 kV 的優(yōu)質外延層所需的技術。尋找研發(fā)時間和能力來生產(chǎn)這些設備而不是汽車相關產(chǎn)品感覺就像是剩下的最大障礙。
下載文檔
