碳化硅掀起电力电子革命

几周前，笔者采访了 EV Open Platform MIH Consortium的首席执行官 Jack Cheng 。我们就他在电动汽车和整个电动汽车行业的历史一探究竟。

2018 年，特斯拉在其新款 Model 3 电动汽车中采用了 ST Microelectronics 基于碳化硅的逆变器，颠覆了我们的预期并震撼了电动汽车行业。它使特斯拉能够将电动汽车最关键的部件之一缩小一半。它激发了人们对与行业本身一样古老的硅技术的新兴趣。

在本文中，我们将了解基于碳化硅的功率半导体的强大优势。

碳化硅

碳化硅存在于陨石中，但几乎无处可寻，世界上几乎所有的碳化硅都是人工合成的。早在 1890 年，托马斯·爱迪生 (Thomas Edison) 的助手爱德华·古德里奇·艾奇逊 (Edward Goodrich Acheson) 就首次以工业数量生产了它。在寻找制造人造钻石的方法时，他在电炉中将硅石和碳粉（称为焦炭）加热至 2600 摄氏度，这产生了碳化硅的粗晶粒。

他的方法至今仍在工业中使用——艾奇逊方法。由等量的硅和碳组成，有超过 200 种已知的多晶型晶体，这些是碳化硅多元宇宙中的变体。

目前还不完全理解为什么会有这么多多型体，但它们都有自己独特的身体特征。但只有三种可用于电子器件：3C、4H 和 6H。3C晶圆在高温下不稳定，目前还没有商用，所以实际上我们的选择只有4H和6H。虽然人们已经研究了 6H 变体，但大多数商业研究正在巩固到 4H。

碳化硅极其坚硬，在 1929 年碳化硼被发明之前，它是人类已知的最硬的合成物质。在工业上，他们将其用于防弹衣、研磨物体以及用作砂纸的磨料。但在电子产品方面，碳化硅有一个特殊的特性，即它的晶体管可以在比传统硅更高的电压、频率和温度下工作。

宽带隙

为什么碳化硅与合成金刚石和氮化镓等其他材料一起被称为“宽带隙”材料？

半导体材料具有称为价带和导带的东西。当电子获得过多的能量并变得过于兴奋时，它们会进入导带。一旦电子进入导带，它们就像能够在某处携带电荷的小自由体，被称为“电荷载体”。

此外，当电子突破价带时，它们会留下带正电的空穴（电子是带负电的），它们也是电荷载体，能够进行传导。晶体管之所以起作用，是因为它们可以处于“开”和“关”状态。粗略地说，当它们的电子处于导带时，晶体管就无法关闭，变得毫无用处。

带隙表示使电子跳出价带并进入导带所需的能量。控制与失控之间的缓冲区。缓冲区越宽，跳频所需的能量就越多。碳化硅不仅具有超宽带隙，而且还是一种出色的热导体。比传统硅好三倍，仅次于金刚石。这种传导性使得从任何此类设备中提取和散发热量变得更加容易。

商用硅半导体在突破带隙之前的最高温度约为 175 摄氏度。但是，碳化硅可以达到 300 摄氏度甚至更高，如果使用得当，甚至可能达到 900 度。这种宽带隙的应用不仅仅是耐热性。随着功率器件中电压的增加，它们的电场也会变强。当磁场变得足够强大时，设备就会遭受所谓的雪崩效应。原子分解并释放大量的自由载流子，导致非常大的电流流过材料。类似于温度情况。

碳化硅在这种雪崩效应爆发前的临界电场极限是传统硅的八到十倍。这意味着碳化硅器件可以处理比硅高很多倍的电压。既然我们了解了碳化硅的特殊能力及其存在的原因，我们现在可以转向电动汽车，以及电动汽车如何使用它们。

电动汽车和功率半导体

每辆电动汽车都有电力电子设备。与电池和电动牵引电机一起，电力电子技术是实现当今实用电动汽车的三大技术之一。电力电子系统有助于为电池充电并为电机供电。它们通常由四个组件组成，但可以说最重要的是逆变器。

电流有两种类型：交流电或 AC 和直流电或 DC。交流电将在一段时间内沿一个方向流动，然后在剩余的时间段内反向流动至另一个方向。另一方面，DC 仅沿一个方向流动。逆变器将来自 EV 电池的直流电转换为 EV 电机用来平稳运行的交流电。这称为“切换”。执行相反方向（从交流到直流）的电路称为整流器。

硅基电力电子

今天，许多这些电力电子产品都是硅基的。两种最流行的功率开关器件是绝缘栅双极晶体管（IGBT）和功率金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。硅基 MOSFET 适用于低电压、低功率和高频应用，它们主导着 600 伏以下应用的市场。

硅基 IGBT 器件用于高压、大功率和低频应用，它们在 600 伏和 6.5 千伏之间的应用市场占据主导地位。Model 3 之前的大多数 EV 逆变器都使用 IGBT 晶体管。

问题是你是否想超越 6.5 千伏的限制。超越这一点，电场就会变得强大到足以让传统的硅电力电子设备面临挑战。

经济性考虑

当今的现代电力电子产品面临着更多的市场压力。EV 驱动技术的成功在很大程度上取决于电力电子设备在降低运营成本的同时切换电源的效率。开关过程中的低效率导致功率损耗，这表现为过热和额外的能量需求。

此外，电力电子电路放置在喷气式涡轮机或汽车发动机附近，温度高达 225 摄氏度或更高的非常恶劣的环境。由于硅固有的温度限制，这些电力电子设备必须设计有主动或被动冷却系统。但是这些系统——风冷散热器、直接接触液体冷却、液体冷板等等，从来没有像我们希望的那样有效。

这些冷却系统也很重并且增加了整个系统的成本。更重、更耗能的电动汽车无法像传统汽车那样行驶得更远或行驶得更快，这降低了它们的整体竞争力。增量研究仍在继续，但这是基于商用碳化硅的功率晶体管可以彻底改变事物的地方。

由于其更宽的带隙，基于碳化硅的电力电子设备可以在高达十倍的温度、高达十倍的电压和高达五倍的开关频率下工作，它是一种颠覆性技术。

自 1950 年代电力电子首次进入市场以来，人们就看到了碳化硅在电力电子领域的巨大潜力。那么为什么我们直到最近才在市场上看到基于碳化硅的电力电子产品呢？

实际答案很简单，与材料本身有关。碳化硅的优点也造成了它的缺点——生产足够的高纯度碳化硅晶圆很困难。

碳化硅晶片

今天，硅片是通过首先制造一个大的硅晶体来制造的。这种晶体是通过提拉法制造的，通过将种子反复浸入熔融的硅熔体中来生长大晶体，该方法已成功地让我们制造出当今最大的晶圆。如果没有液态硅熔体，Czochralski 方法就不起作用。但是碳化硅的固态直接转变为气态，而没有先变成液态。用一个化学短语来说——它在融化之前升华。

正因为如此，没有熔体，所以我们传统的硅方法无法制造碳化硅晶片。我们需要从气体中生长碳化硅晶体。直到 1950 年代，生产碳化硅晶体的唯一方法是通过艾奇逊法——将二氧化硅和焦炭混合到电弧炉中并让它燃烧的方法。这对于制作砂纸来说效果很好，但很难满足电子设备的纯度要求。

1954 年，飞利浦电子公司的 Jan Anthony Lely 发现了 Lely 方法。拿一根多孔石墨管并用碳化硅包围它，然后将管子加热到 2,500 摄氏，碳化硅会扩散到管子内部并在较冷的部分结晶。Lely 的早期方法创建了随机大小的六边形多型晶体。这是向前迈出的一步，但仍不适用于晶圆。

因此在 1978 年，两位苏联科学家 Tairov 和 Tsvetkov 对 Lely 过程进行了修改以修复其缺点。它的工作原理大致相同，但通过非常小心地控制温度和压力，科学家们可以生长出单一多型体的大晶体。

这种改进的 Lely 方法，称为物理气相传输或 PVT 。意味着人们可以以每小时几毫米的速度生长一种纯碳化硅多晶型的晶锭。然而，它并不完美。

公司仍在努力制造更大尺寸的晶圆 （200 毫米左右 ）并且缺陷率并不是人们想要的。使晶圆符合标准可能是该工艺面临的最大挑战，但并不是唯一的挑战。碳化硅在半导体加工中提出了一些其他挑战。

例如，您只能使用合成钻石切割晶圆，这会增加整体成本。还有就是纯碳化硅是绝缘体，所以需要掺杂才能导电。但是将掺杂剂扩散到碳化硅中需要非常高的温度，因此需要其他方法。

碳化硅电力电子

英飞凌于 2001 年推出了首款商用碳化硅功率器，一种肖特基二极管。与传统的硅变体相比具有巨大优势。下一个主要的新商业化产品是碳化硅 MOSFET，功率MOSFET由于开关速度快，适合高压大电流应用而被工业界广泛使用。

碳化硅 MOSFET 芯片于 2010 年由一家名为 Cree 的北卡罗来纳州公司首次商业化。他们最近于 2021 年 10 月更名为 Wolfspeed。其他公司很快进入该领域，包括 ST Microelectronics、ROHM、Infineon 和 Microsemi。电动汽车逆变器市场已经发展成为一个价值数十亿美元的市场。同时，改进的制造工艺降低了新设备的成本。

在晶体管和二极管组件成本改善的推动下，2013 年每个逆变器单元的成本已降至 450 美元左右，到 2020 年已降至约 450 美元。尽管与传统硅器件仍然存在价格差距，但价格差距已大大缩小。

但即使存在价格差距，您也可以设计和部署连接冷却系统少得多的逆变器。这些空间、成本和尺寸的节省确实加起来了，人们预计碳化硅 MOSFET 将开始在其传统市场据点中挑战硅 IGBT。

对于碳化硅来说，这是一个激动人心的时刻。

来源：半导体产业纵横 编译自asianometry