SiC 器件正在取代現(xiàn)有 Si 器件的高影響力應(yīng)用機(jī)會已經(jīng)出現(xiàn)

SiC 器件正在取代現(xiàn)有 Si 器件的高影響力應(yīng)用機(jī)會已經(jīng)出現(xiàn)，包括 xEV 和鐵路電力電子設(shè)備，具有更低的損耗和更低的冷卻要求;具有降低冷卻負(fù)荷和更高效率的新型數(shù)據(jù)中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);用于高效大功率電動機(jī)的變頻驅(qū)動器，可降低整體系統(tǒng)成本;更高效、靈活和可靠的網(wǎng)格應(yīng)用程序，減少系統(tǒng)占用空間;以及“更多電動航空航天”，重量、體積和冷卻系統(tǒng)的減少有助于節(jié)能。就電動汽車而言，目前大多數(shù)使用 400V 總線架構(gòu)，因此 650V SiC 器件與成熟且堅固的硅 IGBT 競爭，而 GaN 則在利潤豐厚的牽引逆變器、DC/DC 轉(zhuǎn)換器和車載充電器中競爭市場。

因此，650-V 范圍是一個“戰(zhàn)場”，其中每種材料器件都帶來獨特且引人注目的競爭優(yōu)勢。應(yīng)該注意的是，為了提高效率——相同電池的續(xù)航里程更長或較小電池的續(xù)航里程相同——以及快速充電，電動汽車正在迅速過渡到 800V 總線架構(gòu)。在此電壓下，1,200-V SiC MOSFET 具有整體優(yōu)勢，因為它們于 2011 年實現(xiàn)商業(yè)化并經(jīng)過幾代優(yōu)化?，F(xiàn)在正在發(fā)生的電動汽車中的 SiC 插入是一個批量應(yīng)用機(jī)會，可以進(jìn)一步刺激 SiC 制造的規(guī)模經(jīng)濟(jì)和降低系統(tǒng)成本。應(yīng)該注意的是，為了提高效率——相同電池的續(xù)航里程更長或較小電池的續(xù)航里程相同——以及快速充電，電動汽車正在迅速過渡到 800V 總線架構(gòu)。在此電壓下，1,200-V SiC MOSFET 具有整體優(yōu)勢，因為它們于 2011 年實現(xiàn)商業(yè)化并經(jīng)過幾代優(yōu)化。現(xiàn)在正在發(fā)生的電動汽車中的 SiC 插入是一個批量應(yīng)用機(jī)會，可以進(jìn)一步刺激 SiC 制造的規(guī)模經(jīng)濟(jì)和降低系統(tǒng)成本。應(yīng)該注意的是，為了提高效率——相同電池的續(xù)航里程更長或較小電池的續(xù)航里程相同——以及快速充電，電動汽車正在迅速過渡到 800V 總線架構(gòu)。在此電壓下，1,200-V SiC MOSFET 具有整體優(yōu)勢，因為它們于 2011 年實現(xiàn)商業(yè)化并經(jīng)過幾代優(yōu)化。現(xiàn)在正在發(fā)生的電動汽車中的 SiC 插入是一個批量應(yīng)用機(jī)會，可以進(jìn)一步刺激 SiC 制造的規(guī)模經(jīng)濟(jì)和降低系統(tǒng)成本。

隨著 SiC 的持續(xù)增長，該行業(yè)正在消除大規(guī)模商業(yè)化的最后障礙，包括高于 Si 的器件成本、基面位錯 (BPD) 的存在、可靠性和堅固性問題以及對熟練掌握 SiC 的勞動力的需求電源技術(shù)跟上不斷增長的需求。目前，SiC 晶圓占 SiC 器件總成本的 55% 至 70%，這是其獨特的復(fù)雜制造細(xì)節(jié)的結(jié)果。傳統(tǒng)的 SiC 襯底主要通過種子升華技術(shù)在約 2,500?C 的溫度下生長，這給過程控制帶來了挑戰(zhàn)。晶體膨脹有限，需要使用大的優(yōu)質(zhì)晶種，升華生長速率可能相對較低，約為 0.5 至 2 mm/h。位錯通過晶錠傳播并存在于器件晶圓中。此外，與金剛石相當(dāng)?shù)?SiC 材料硬度使得 SiC 襯底的鋸切和拋光相對于 Si 來說速度慢且成本高。然而，在許多應(yīng)用中，與 Si 相比，插入 SiC 可降低整體系統(tǒng)成本，盡管 SiC 器件的成本可能比其對應(yīng)的 Si 器件高 2 至 3 倍。這是由于高效高頻 SiC 操作實現(xiàn)了無源元件小型化和冷卻系統(tǒng)簡化。

大多數(shù)“致命”缺陷在現(xiàn)代 SiC 晶圓中幾乎已被消除。BPD 是主要的殘留缺陷，會降低器件性能并影響良率。BPD 可以從晶圓襯底傳播到制造器件的外延層厚度。BPD 也可以在高溫離子注入制造過程中產(chǎn)生。在商用晶圓中，超過 95% 的襯底 BPD 在通過 CVD 離軸生長的外延層中傳播為相對“良性”的螺紋邊緣位錯。閾值電壓不穩(wěn)定性是 SiC MOSFET 中主要的可靠性問題，它主導(dǎo)著基于 SiC 的電力電子應(yīng)用。這主要是由于 SiC/柵極氧化物界面處的氧化物陷阱。SiC MOSFET 閾值電壓的正向偏移具有增加傳導(dǎo)損耗的有害影響，而負(fù)向偏移則不可取，因為它可以自發(fā)地開啟晶體管。通過利用設(shè)計權(quán)衡，可以使 SiC 器件更加堅固耐用。這與智能柵極驅(qū)動相結(jié)合，可以提供足夠的短路保護(hù)。

為了培訓(xùn)寬帶隙 (WBG) 勞動力并加速清潔能源制造、創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會和節(jié)能，美國能源部創(chuàng)建了 PowerAmerica 聯(lián)盟。今天，PowerAmerica 由會員支持/驅(qū)動，致力于解決 WBG 功率半導(dǎo)體技術(shù)方面的差距，以促進(jìn)其發(fā)展。

PowerAmerica 是一個成員支持/驅(qū)動的聯(lián)盟，旨在解決 WBG 半導(dǎo)體電力技術(shù)方面的差距，以加速清潔能源制造、創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會和節(jié)能。

在過去六年中，PowerAmerica 在 200 多個功率 SiC/GaN 大學(xué)/行業(yè)合作項目中投資了 1.47 億美元，涉及所有主要應(yīng)用，包括汽車和鐵路牽引、車載充電器、航空航天、光伏、靈活的交流輸電系統(tǒng)、高壓直流系統(tǒng)、微電網(wǎng)、儲能、電機(jī)驅(qū)動、UPS 和數(shù)據(jù)中心。其教育活動已在應(yīng)用 WBG 項目中培訓(xùn)了 410 名大學(xué)生，并吸引了超過 3,700 名參與者參加教程、短期課程和網(wǎng)絡(luò)研討會。這有助于培養(yǎng)一支經(jīng)驗豐富的員工隊伍，他們能夠熟練地充分發(fā)揮 WBG 系統(tǒng)的插入潛力。