SiC器件設(shè)計的案例
SiC功率器件的特性與系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用
來源：松哥電源
離子注入可以優(yōu)化SiC器件設(shè)計
碳化硅 (SiC) 單極半導(dǎo)體具有廣泛的商業(yè)用途，但它們的操作受到擊穿電壓和漂移層比電阻或比導(dǎo)通電阻之間的權(quán)衡關(guān)系的限制。包括超結(jié)結(jié)構(gòu)，即在漂移層的溝槽中排列 n 和 p 層，或在器件中實現(xiàn)雙極操作，提供了一種克服這種單極限制的方法。雙極操作通過在漂移層中引起電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)致導(dǎo)通電阻的大幅降低。但雙極操作并非沒有缺點。雙極器件中的傳導(dǎo)和開關(guān)損耗需要仔細平衡。
半導(dǎo)體中的 P 型接觸層通常通過鋁 (Al) 摻雜形成。鋁摻雜可以通過兩種方式實現(xiàn)——外延或離子注入。外延生長涉及在襯底上逐層沉積半導(dǎo)體材料，而離子注入需要用高能帶電粒子轟擊半導(dǎo)體層。但是離子注入會導(dǎo)致在半導(dǎo)體層深處形成缺陷，這可能對電導(dǎo)率調(diào)制產(chǎn)生關(guān)鍵影響。
在最近發(fā)表在 Physica Status Solidi (b ) 上的一項研究中，來自日本的研究人員調(diào)查了由 Al 摻雜形成的 SiC 雙極二極管中缺陷的深度分布。“我們的研究結(jié)果將有助于 SiC 功率器件的優(yōu)化設(shè)計，該器件很快將用于電動汽車、火車等。這些結(jié)果最終將有助于提高車輛和火車牽引系統(tǒng)的性能、尺寸和能耗，”領(lǐng)導(dǎo)這項研究的名古屋工業(yè)大學(xué)副教授 Masashi Kato 博士說。
為了研究缺陷的深度分布，研究小組制造了兩個帶有 Al 摻雜 p 層的 SiC PiN 二極管，一個通過外延生長，另一個通過離子注入。然后，他們使用傳統(tǒng)的“深能級瞬態(tài)光譜”（DLTS）研究了兩個二極管中的缺陷分布，并使用陰極發(fā)光（CL）表征了其特性。他們發(fā)現(xiàn)通過外延生長的 p 型層沉積不會對相鄰的 n 型層造成損壞，但生長表現(xiàn)出輕微的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致形成深能級缺陷。由于電導(dǎo)調(diào)制的影響，該二極管的特定導(dǎo)通電阻也很低。
展開 離子注入可以優(yōu)化SiC器件設(shè)計
來源：摩爾芯聞
編譯自miragenews
碳化硅 (SiC) 單極半導(dǎo)體具有廣泛的商業(yè)用途，但它們的操作受到擊穿電壓和漂移層比電阻或比導(dǎo)通電阻之間的權(quán)衡關(guān)系的限制。包括超結(jié)結(jié)構(gòu)，即在漂移層的溝槽中排列 n 和 p 層，或在器件中實現(xiàn)雙極操作，提供了一種克服這種單極限制的方法。雙極操作通過在漂移層中引起電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)致導(dǎo)通電阻的大幅降低。但雙極操作并非沒有缺點。雙極器件中的傳導(dǎo)和開關(guān)損耗需要仔細平衡。
半導(dǎo)體中的 P 型接觸層通常通過鋁 (Al) 摻雜形成。鋁摻雜可以通過兩種方式實現(xiàn)——外延或離子注入。外延生長涉及在襯底上逐層沉積半導(dǎo)體材料，而離子注入需要用高能帶電粒子轟擊半導(dǎo)體層。但是離子注入會導(dǎo)致在半導(dǎo)體層深處形成缺陷，這可能對電導(dǎo)率調(diào)制產(chǎn)生關(guān)鍵影響。
在最近發(fā)表在 Physica Status Solidi (b ) 上的一項研究中，來自日本的研究人員調(diào)查了由 Al 摻雜形成的 SiC 雙極二極管中缺陷的深度分布。“我們的研究結(jié)果將有助于 SiC 功率器件的優(yōu)化設(shè)計，該器件很快將用于電動汽車、火車等。這些結(jié)果最終將有助于提高車輛和火車牽引系統(tǒng)的性能、尺寸和能耗，”領(lǐng)導(dǎo)這項研究的名古屋工業(yè)大學(xué)副教授 Masashi Kato 博士說。
為了研究缺陷的深度分布，研究小組制造了兩個帶有 Al 摻雜 p 層的 SiC PiN 二極管，一個通過外延生長，另一個通過離子注入。
展開 高溫SiC器件的特性及發(fā)展
王俊教授近十年主要從事功率半導(dǎo)體器件及其在電力電子系統(tǒng)中應(yīng)用的研究，研制了世界首個碳化硅ETO晶閘管，在國際高水平刊物和會議上已發(fā)表論文七十余篇，獲2項美國發(fā)明專利和1項日本發(fā)明專利，5項中國專利。主要研究方向包括：1）硅基功率MOSFET和IGBT的研究，碳化硅（SiC）功率器件的研究，3）氮化鎵（GaN）器件的研究，4)電力電子器件的智能驅(qū)動，5）高功率密度變換器的研究。近年來，主持參與了國家自然科學(xué)基金面上項目、國家“863”項目和企業(yè)橫向合作項目等。
來源：寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟
SiC器件大戰(zhàn)一觸即發(fā)
英飛凌將把這項技術(shù)用于碳化硅（SiC）晶圓的切割上，從而讓單片晶圓可出產(chǎn)的芯片數(shù)量翻番。進一步加碼碳化硅市場。
在早些時候，意法半導(dǎo)體CEO在接受半導(dǎo)體行業(yè)觀察等媒體采訪也談到，該公司的碳化硅產(chǎn)品已實現(xiàn)批量出貨，年出貨金額在今年能突破一億美元，市場占有率高達90%；X—Fab也聲稱將擴大晶圓的生產(chǎn)；日本羅姆今年四月也宣布，將在其福岡筑后工廠投建新廠房，擴充碳化硅產(chǎn)能。
多方面的消息證明，碳化硅大戰(zhàn)一觸即發(fā)。
SiC功率器件需求大增
據(jù)Semiconductor Engineering報道，SiC是一種基于硅和碳的復(fù)合半導(dǎo)體材料。在生產(chǎn)流程中，專門的SiC襯底被開發(fā)出來，然后在晶圓廠中進行加工，得到基于SiC的功率半導(dǎo)體。許多基于SiC的功率半導(dǎo)體和競爭技術(shù)都是專用晶體管，它們可以在高電壓下開關(guān)器件的電流。它們用于電力電子領(lǐng)域，可以實現(xiàn)系統(tǒng)中電力的轉(zhuǎn)換和控制。
得益于其垂直架構(gòu)，因此相較于氮化鎵和硅，碳化硅可以承受更高的電壓，能適用于1000V以上的應(yīng)用市場。以硅而言，目前硅基MOSFET多應(yīng)用在1000V以下，約600~900V之間，若是超過1000V，其芯片體積(Chip Size)會變得很大，以及切換損耗、寄生電容都會跟著提升，另外價格也會大漲，因此較不適用于1000V以上的應(yīng)用。而SiC因其寬帶隙技術(shù)脫穎而出。而與傳統(tǒng)硅基器件相比，SiC的擊穿場強更是傳統(tǒng)硅基器件的10倍，導(dǎo)熱系數(shù)是傳統(tǒng)硅基器件的3倍，具有極其強大的優(yōu)勢。
SiC和GaN設(shè)計方式不同，耐壓程度也因而有所差異。
羅姆在接受半導(dǎo)體行業(yè)觀察采訪時也表示，在功率元器件領(lǐng)域中，SiC作為新一代材料備受矚目，與傳統(tǒng)使用的Si相比，SiC元器件實現(xiàn)低導(dǎo)通電阻、高速開關(guān)、高溫工作。
展開 技術(shù) | SiC技術(shù)器件和應(yīng)用
來源：電力電子技術(shù)與新能源
往期回顧
1.300mm晶圓，3萬顆/片！走進博世耗資10億歐元的德累斯頓晶圓廠一探究竟！（含視頻）
2.??“第三代半導(dǎo)體”資料包合集
3.規(guī)劃1500億！集成電路產(chǎn)值僅次于上海，淺談無錫集成電路產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀！
Qorvo收購SiC器件供應(yīng)商UnitedSiC
來源：半導(dǎo)體行業(yè)觀察
射頻解決方案的領(lǐng)先供應(yīng)商Qorvo今天宣布，公司已收購位于新澤西州普林斯頓的 United SiliconCarbide (UnitedSiC)，一家領(lǐng)先的碳化硅 (SiC) 功率半導(dǎo)體制造商。據(jù)介紹，收購 United Silicon Carbide 將 Qorvo 的影響力擴大到快速增長的電動汽車 (EV)、工業(yè)電源、電路保護、可再生能源和數(shù)據(jù)中心電源市場。據(jù)報道，在收購之后，UnitedSilicon Carbide 將成為 Qorvo 基礎(chǔ)設(shè)施和國防產(chǎn)品 (IDP) 業(yè)務(wù)的一部分，由 Chris Dries 博士領(lǐng)導(dǎo)，Chris Dries 博士曾任 United Silicon Carbide 總裁兼首席執(zhí)行官，現(xiàn)在是 Qorvo 功率器件解決方案的總經(jīng)理。
Qorvo IDP 總裁Philip Chesley 表示：“UnitedSiC加入我們的 IDP 事業(yè)部，顯著擴大了我們在高功率應(yīng)用領(lǐng)域的市場機會。此次收購使 Qorvo 能夠提供高價值、一流的智能電源解決方案，涵蓋電源轉(zhuǎn)換、運動控制和電路保護應(yīng)用。”
Dries 博士表示：“作為 Qorvo 的一部分，我們的團隊很高興能夠擴展我們的 SiC 產(chǎn)品組合，并繼續(xù)以速度和規(guī)模構(gòu)建業(yè)務(wù)，努力通過業(yè)界最高性能的設(shè)備加速 SiC 的采用。我們的 SiC 技術(shù)，加上 Qorvo 互補的可編程電源管理產(chǎn)品和世界一流的供應(yīng)鏈能力，使我們能夠在高級應(yīng)用中提供卓越的電源效率水平。”
United Silicon Carbide 的產(chǎn)品組合現(xiàn)在涵蓋 80 多種 SiC FET、JFET 和肖特基二極管器件。
展開 研發(fā) | 基于SiC的量子器件獲重大突破！
近年來，為了利用更成熟的材料加工技術(shù)和器件集成工藝，學(xué)界開始關(guān)注其他半導(dǎo)體材料中的相似色心。其中，碳化硅中的自旋色心，包括硅空位色心（缺失一個硅原子）和雙空位色心（缺失一個硅原子和一個近鄰碳原子），因其優(yōu)異的光學(xué)和自旋性質(zhì)引發(fā)學(xué)界廣泛。室溫下單個硅空位色心的相干操控雖已實現(xiàn)，但其自旋讀出對比度只有2%，而且天然塊狀碳化硅材料中單個硅空位色心的單光子發(fā)光亮度每秒僅有10 k個計數(shù)，如此低的自旋讀出對比度和單光子發(fā)光亮度限制了其在室溫下的實際應(yīng)用。然而，室溫下單個雙空位色心的相干操控還未見報道。
李傳鋒、許金時研究組利用此前發(fā)展的離子注入制備碳化硅缺陷色心的技術(shù)，制備出雙空位色心陣列。進一步利用光探測磁共振技術(shù)在室溫下實現(xiàn)了單個雙空位色心的自旋相干操控，并發(fā)現(xiàn)其中一類雙空位色心（稱為PL6）的自旋讀出對比度為30%，而且單光子發(fā)光亮度每秒可達150 k個計數(shù)。這兩項重要指標(biāo)相比碳化硅中硅空位色心均提升了一個數(shù)量級，第一次展現(xiàn)出碳化硅自旋色心在室溫下具有與金剛石NV色心相媲美的優(yōu)良性質(zhì)，并且單色心電子自旋在室溫下的相干時間長達23微秒。此外，研究團隊還實現(xiàn)了碳化硅色心中單個電子自旋與近鄰核自旋的耦合與探測，為下一步構(gòu)建基于碳化硅自旋色心體系的室溫固態(tài)量子存儲與可擴展的固態(tài)量子網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)。
由于高讀出對比度和高單光子發(fā)光亮度在量子信息的一些應(yīng)用中具有重要意義，該研究成果為基于碳化硅的量子器件開辟了一個新的發(fā)展方向。審稿人對該研究成果給予了高度評價。
展開 AEC-Q101 | SiC功率器件高溫反偏
對于SiC功率器件而言，其最大額定結(jié)溫普遍在175℃以上，而反偏電壓已超過650V，更高的溫度、更強的電場加速鈍化層中可移動離子或雜質(zhì)的擴散遷移，從而提前發(fā)現(xiàn)器件異常，較大程度地驗證器件的可靠性。
美軍標(biāo)和車規(guī)標(biāo)準(zhǔn)高溫反偏試驗條件的對比
標(biāo)準(zhǔn)
試驗溫度
試驗電壓
試驗時長
MIL-STD-750-1 M1038
150℃
80%×BV
160小時以上
AEC-Q101
Tjmax（175℃）
100%×BV
1000小時以上
3、SiC功率器件高溫反偏試驗的過程監(jiān)控
Si基的二極管高溫漏電流一般在1~100μA，而SiC二極管高溫反偏試驗過程漏電流通常比較小，為0.1~10μA級別。如果器件存在缺陷，漏電還會隨著時間的推移而逐漸上升。這需要有實時的、較高精度的漏電監(jiān)控系統(tǒng)，提供整個試驗周期漏電流的監(jiān)控數(shù)據(jù)以觀察器件的試驗狀態(tài)。
高溫反偏試驗臺漏電流監(jiān)控界面
4、如何通過高溫反偏試驗？
高溫反偏試驗主要考察器件的材料、結(jié)構(gòu)、封裝可靠性，可反映出器件邊緣終端、鈍化層、鍵合（interconnect）等結(jié)構(gòu)的弱點或退化效應(yīng)。
因此，功率器件是否能通過高溫反偏試驗，應(yīng)從產(chǎn)品設(shè)計階段考慮風(fēng)險，綜合考量電場、高溫對材料、結(jié)構(gòu)、鈍化層的老化影響。以實際應(yīng)用環(huán)境因素要求一體化管控材料選型、結(jié)構(gòu)搭建設(shè)計，提升良品率。
高溫反偏的試驗方案
針對不同產(chǎn)品定制高溫反偏試驗，同時為大漏電流產(chǎn)品提供高溫反偏下結(jié)溫測量方案，幫助多個客戶獲得相關(guān)可靠性認(rèn)證報告。
展開 SiC器件上車第一個優(yōu)質(zhì)落腳點—車載電源
以O(shè)BC舉例，從 Si 設(shè)計轉(zhuǎn)到 SiC 設(shè)計，功率器件和柵極驅(qū)動的數(shù)量減少 30% 以上，開關(guān)頻率提高一倍以上。降低了功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的組件尺寸、重量和成本，同時提高運行效率。
22kW 雙向 OBC: Si vs SiC
目前，市場上的車載電源產(chǎn)品主要向集成化、高功率化、雙向化發(fā)展。
(一) 集成化：通過將DC/DC、OBC、電機、電控器件等集成可以減少車載電源的占用空間，減少電路板尺寸，降低組裝成本以及BOM和PCB成本。
(二) 高功率化：隨著電動車?yán)m(xù)航、帶電量的提高，10kW、 20kW以上的大功率將成為主流，主要通過三相交流電技術(shù)，目前比亞迪、欣銳科技已有所布局。
(三) 雙向化：雙向DC/DC具有效率高、體積小、成本低的優(yōu)點，同時還可將電池電能對外輸出，有效提高電能利用率。雙向車載充電機可以將電池的電能對外輸出，實現(xiàn)車對車、車對負(fù)載、車對電網(wǎng)充電。
在車載電源系統(tǒng)中使用SiC MOSFET能以更高的頻率進行開關(guān)，功率密度更高，能效更高，EMI性能得到改善以及系統(tǒng)尺寸減小。
同時，再以22KWOBC系統(tǒng)舉例，再進一步細化成本結(jié)構(gòu)：盡管相比單個 Si 基二極管和功率晶體管，分立式 SiC 基功率器件的成本更高。但從系統(tǒng)角度來說，SiC 器件的性能可減少所需元件的數(shù)量，從而降低電路元件成本以滿足支持各種功率器件功能的要求。綜合算下來， SiC 系統(tǒng)比Si 系統(tǒng)可節(jié)約近 20% 的成本。
展開 從IGBT到SiC，特斯拉汽車功率器件的變遷
因此，IGBT的管腳設(shè)計和制造也變得重要起來。
SDU的出現(xiàn)使得特斯拉對IGBT器件有了更嚴(yán)格的機械、電學(xué)以及可制造性的要求。筆者也有幸作為供應(yīng)商，與多位特斯拉核心研發(fā)人員合作，一同參與了IGBT單管的定制工作，也由此負(fù)責(zé)了下一代特斯拉定制IGBT器件的開發(fā)。此后，特斯拉開始與功率半導(dǎo)體頭部廠商進行更緊密的合作，深度介入核心功率器件的定義與設(shè)計，并最終推出了劃時代的第三代動力總成。
03
Model 3/Y
Model 3/Y動力總成相較于上一代產(chǎn)品更為緊湊，尤其是逆變器部分尤為明顯。原因之一是與其他公司的三合一電驅(qū)系統(tǒng)相比，特斯拉逆變器從上一代開始就選擇移去蓋板，緊貼減速器，因此減少了逆變器的重量和體積。但是更重要是，新一代的逆變器中選擇了全新的功率器件，并因此改變了逆變器的整體設(shè)計。
Model 3/Y中的動力總成，綠色部分為逆變器
（來源：Munro & Associates）
當(dāng)特斯拉還在優(yōu)化SDU的設(shè)計時，核心研發(fā)人員就已經(jīng)在思考下一代動力總成該如何實現(xiàn)。尤其是前兩代系統(tǒng)、三種設(shè)計中中核心器件IGBT單管所用的TO247和TO247 Plus封裝，已經(jīng)沒有很大潛力進一步增加電流規(guī)格和提高性能了。同時，雖然IGBT技術(shù)持續(xù)進步，但是帶來的多為量變而非質(zhì)變。綜上，IGBT單管即將到達性能瓶頸。有鑒于此，特斯拉不僅與功率半導(dǎo)體廠商共同探討新功率芯片的選擇，還與一些先進封裝技術(shù)公司合作新封裝的開發(fā)。
展開 
關(guān)注 | SiC器件如何改變半導(dǎo)體行業(yè)的面貌
通常，柵極驅(qū)動組件將通過簡單的更改進行調(diào)整，以控制 SiC FET 的開關(guān)速度。還可以考慮其他好處，例如減小緩沖器的尺寸，甚至刪除整流二極管，這在 IGBT 驅(qū)動中是必需的，但可以有效地被 SiC FET 體二極管效應(yīng)取代。在 EV 電機驅(qū)動逆變器應(yīng)用中，有效率增益，如果頻率提高，與 IGBT 解決方案相比，EV 電機可以更高效、更平穩(wěn)地運行。在工業(yè)和汽車驅(qū)動中，效率的提高分別滿足了對更小尺寸和更長距離的迫切需求。
車載和靜態(tài) EV 電池充電器也使用 SiC FET。在這里，低損耗、高頻操作允許在輸出濾波中使用更小的磁性元件——從而減輕重量、尺寸和成本——再次有助于 OBC 的 EV 范圍。使用 SiC FET 的路邊快速充電器在 100kW+ 水平和 400V 或 800V 直流輸出下運行也看到了好處，與 IGBT 相比效率節(jié)省。必要時并聯(lián)的分立 SiC FET 器件通常實用且成本較低，可替代昂貴的 IGBT 模塊。總體而言，可以節(jié)省成本和浪費的環(huán)境能源。
所有電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的新設(shè)計，包括大功率 AC-DC 和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，都越來越多地使用 SiC FET。通過全新的設(shè)計，可以充分發(fā)揮設(shè)備的潛力；圖騰柱功率因數(shù)校正之后是 LLC 或帶同步整流的移相全橋諧振轉(zhuǎn)換級，所有這些都使用 SiC FET 以高頻開關(guān)提供非常高的效率。隨后在冷卻硬件、用于過濾和能量存儲的磁性元件、電容器、緩沖器、外殼等方面節(jié)省了成本——所有這些都降低了系統(tǒng)總成本，同時減少了碳足跡。
展開 國聯(lián)萬眾碳化硅（SiC）電力電子器件產(chǎn)品手冊
公司定位為第三代半導(dǎo)體材料及應(yīng)用聯(lián)合創(chuàng)新基地的建設(shè)、運營管理、服務(wù)；集成電路、半導(dǎo)體分立器件、光電子器件、通信系統(tǒng)設(shè)備、通信終端設(shè)備、電力電子元器件制造、銷售；研發(fā)創(chuàng)新、科技服務(wù)平臺搭建；科技成果轉(zhuǎn)化、產(chǎn)業(yè)孵化、產(chǎn)業(yè)基金、產(chǎn)業(yè)投資。公司致力于推動第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈和創(chuàng)新鏈構(gòu)建，促進產(chǎn)學(xué)研用合作以及跨界應(yīng)用的開放協(xié)同創(chuàng)新，推動產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系的建設(shè)。
聯(lián)系方式：
張利民 13001895445
姬鵬飛 18603230385
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