單晶碳化矽

  化矽晶體是一種高冶練而成的工業材料,在抗高、抗輻射、抗腐蝕、耐高擊穿電壓等方面的性能非常優越,可廣泛應用於電子、航太、軍工、核能等領域,被看作是取代矽和砷化鎵來製作晶片的第三代半導體材料,而把碳化矽晶體加工成晶片的工藝十分複雜。我國對碳化矽晶體的研究起步較晚,對於晶片加工的研究更是遠遠落後于國際水準,長期以來一直受制於西方國家。
 
  外觀像透明玻璃,厚薄似一張紙,大小如一次性紙杯杯底-----蘇州天科合達一片2英寸大的“碳化矽晶片”。可別小看這片圓圓的“小東西”,它是第三代半導體的核心材料,一片就可以做成40萬個LED晶片,預計5年後全球需求量比現在有十倍以上的增長。

 
 
碳化矽半導體

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  在性能上的增長,純矽功率晶体管有著令人羨慕的成績,然而,對於高要求的功率開關和控製的應用上,它似乎已經到達了它的極限。
  碳化硅(SiC),作為一種新型半導體材料,具有潛在的優點:更小的體積、更有效率、完全去除開關損耗、低漏極電流、比標準半導體(純矽半導體)更高 的開關頻率以及在標準的125℃結溫以上工作的能力。小型化和高工作耐溫使得這些器件的使用更加自如,甚至可以將這些器件直接置於電機的外殼內。
  任何一種新技術都會經曆由發展到成熟的過程,SiC也不例外。標準功率開關,如絕緣柵雙極型晶體管(IGBT),有很大的產品基礎和優化的生產技術。 而SiC卻需要投入大量經費和研發資金來解決材料問題和完善半導體製造技術。然而這種功率開關器件,能夠在正向導通大電流和反向截止千伏電壓之間快速執行 開關動作,這樣的性能是值得一試的。
  SiC最初的成功應用和主要應用發光二極管,用於汽車頭燈和儀表盤其他照明場合。其他的市場包括開關電源和肖特基勢壘二極管。將來會應用到包括混合動 力車輛、功率轉換器(用於減小有源前置濾波器的體積)和交流/直流电机控制上。這些更高要求的應用還沒有商業化,因為它們需要高質量的材料和大規模的生產 力來降低成本。在全世界範圍內,大量的研究經費投入到了公司、實驗室和政府設施,以使SiC技術更加可行。一些專家預言,SiC技術的商業化、工業化甚至 軍工應用將在2到5年或者更遠的時間內變成現實。


圖1:APEI Inc.的這個功能齊全的基於SiC的3kW三相換流器原型,可以工作於
250℃以上的溫度。

  電機控製生產商對於SiC的發展特別有興趣,有些甚至與研究人員和半導體生產商進行合作來促進SiC的發展。但是他們大多數都對這種協作關係閉口不談。
  SiC技術的促進者
  Rockwell Automation公司標準驅動部門的顧問工程師Gary Skibinski博士說:“Rockwell Automation看到了這個新技術的潛在優點並認為自己是SiC技術的促進者。Rockwell公司也確定了SiC技術會如何融入其將來的商業計劃。 對於一個領先的公司,理解並接納新興技術是至關重要的。”
  發展正在逐步進行。Skibinski舉例道,在驅動模塊的每個標準IGBT上附加一個SiC功率二極管,作用如同變極飛輪二極管,作為提高生產力邏輯上的第一步;這種改變其次將會應用於功率開關上。他說:“純SiC驅動仍處於研發和原型論證階段。”
  相對於純SiC模型(Si IGBT+反平行二極管開關)的進展,在近期對於Si-SiC混合型功率模型(Si IGBT+商業SiC二極管)的研究中,Rockwell公司在減少能量損耗和增加載波頻率上獲得突破性進展。此模型總的功率損耗為 Eon+Err+Eoff(見圖2)。對於Si或者SiC二極管,不管Rgate值如何變化,Eoff的值都不會變化,但是當使用SiC二極管時,其他的 兩個功率損耗分量會因Rgate值的變化而發生變化。對於任何Rgate值,二極管反向恢複損耗Err實際上已經幾乎減小到0(94%)。當 Rgate=25Ω時GBT的Eon減小了37%,當Rgate=8絞保琁GBT的Eon減小了85%。


圖2:Rockwell Automation 近期的調查顯示,相對於全矽模塊,
Si-SiC混合模塊可以潛在地減小功率損耗Eon和Err。為了便於比
較,全矽模塊的IGBT功率損耗En被規格化為每一個單位3.3mJ。

   研究的結果證明了更高開關頻率的可能性,在以前,更高的開關頻率一直受限於純矽二極管的反向恢複損耗。Err限製了在減小開啟損耗上的進一步發展。 Skibinski解釋道:“矽模塊的供應商推薦使用一個門電阻Rgate (例如25 Ω,來平衡IGBT的開啟能量損耗(Eon) 關斷能量損耗(Eoff)。”然而對於SiC二極管,門電阻Rgate就可以省去不用了。
  他說:“SiC二極管能夠降低總功率損耗(Eon+Err+Eoff),這一特性仔驅動上的應用有著潛在優點。”首先,在使用同樣的製冷係統的條件 下,它可以達到4倍的開關頻率,可以使前置電磁濾波器具有更好的性能、更小的體積和更低的價格。或者,你也可以保留現在的開關頻率和製冷係統,這樣就可以 得到更高的效率和穩定性、更低的損耗、更高的額定輸出。降低的總功率損耗可以潛在地降低製冷花費。
  Yaskawa Electric是另一個采用SiC技術的驅動生產商,他把SiC技術應用於雷達屏幕上。Yaskawa Electric總結SiC的基本的優點有:高工作溫度、高開關速度、在導通和開關模式下都具有更低的損耗,這些是驅動係統更加有效率。
  日本小倉Yaskawa Electric公司研發實驗室的IEEE的特殊會員Tsuneo J. Kume博士在Control Engineering中說道:“這種低損耗的特性,加上高工作結溫,是碳化硅器件和製冷係統具有更小的體積,進而導致具有更高功率密度的驅動係統的成為 可能。而且,高頻開關性能極大地改進了控製係統的響應和帶寬。”Yaskawa公司正在與先進的半導體生產商密切合作,例如Mitsubishi Semiconductors公司,隻要技術成熟,將會推出具有先進技術的SiC器件。據Kume說,這種技術正在為實際應用和質量作進一步實驗,使用這 種新技術的驅動產品,暫時還沒有開始開發。
  敏捷的,創新的
  一些小型的,具有創新精神的公司往往會對先進技術產生促進作用。在SiC領域內,一個這樣的例子是Arkansas Power Electronics International Inc。APEI專攻對於使用SiC器件作為核心技術的高性能功率電子係統的開發。APEI公司的總裁Alexander B. Lostetter博士說:“APEI公司特別關注那些用於極端環境(溫度高於500℃或更高)和/或具有很高功率密度的應用場合的技術。”


圖3:TranSiC的雙極型碳化硅功率晶体管BitSiC1206,
是一個已經和用戶見麵的6-A原型。30-A原型的期間計劃於2007年底麵世。

   APEI公司已經開發、製造並測試了基於SiC技術的直流和交流電機驅動、單相合三相換流器(額定功率為3kW和5kW)、直流到直流轉換器。 Lostetter介紹公司其他方麵的研究進展包括:高溫封裝技術,此技術使單一器件可以工作於500或500以上的環境。還有基於SiC技術的模擬/數 字低壓電路控製,借此可以將電路集成到工作於300℃以上的功率控製係統中。同樣在開發中的還有可以工作於500℃溫度下的基於離散SiC結型場效應晶體 管JFET(junction field-effect transistor)的運算放大器。Lostetter說:“高結溫減小了電子產品的熱處理係統的體積,並使其可以工作與高功率密度下。”
  SiC專家Swedish於2005年建立了另外一家活躍於SiC功率晶體管開發的小公司——TranSiC AB,它是從斯德哥爾摩的Royal Institute of Technology (KTH)公司分離出來的。最近TranSiC AB成功地完成了他的具有標準TO247封裝的雙極型晶體管的原型論證。第一個模型BitSiC1206是一個1200V、6A的器件。
  TranSiC公司的CEO BoHammarlund,提到芯片的封裝很成功,打開和關斷的開關性能相比於同類產品也很優秀。公司從各種各樣的貨源購買SiC晶片和外部材料,但是關鍵的芯片處理全部完成與KTH的實驗室中。
  Hammarlund解釋道,BitSiC的工業封裝是由一個經驗豐富的外包公司完成的,但是當客戶是飛行員時,TranSiC公司可以提供短周期的快速封裝,因為在這種應用場合下,封裝的價格和開發速度是有關的。
  TranSiC希望兩年之內能夠使BitSiC產品成熟起來並使其具有成本效益。時下,每片這種芯片是十分昂貴的。Hammarlund解釋道:“我們會采用每一項成本降低措施,我們希望在之後的2年內,每六個月成本會降低30%。”
  下一個目標是在2006年底使BitSiC具有廣大的客戶群,並在TranSiC的網站上提供給書說明書。Hammarlund告訴Control Engineering“我們的目標是在2007年底完成30A的器件原型,加上可以承受225℃結溫的封裝原型。”更高電流的期間公司的長期開發路線。

  不同的觀點
  並不是每一個人都同意碳化矽功率控製的前景。ABB公司是高功率半導體的專家,但是在2002年,瑞典的聯合開發中心,他終止了SiC開發項目。公司 半導體研發部對於此舉措的一個解釋是由Basel平麵斷層導致的雙極導通衰減效應。這反映了一種單純基於高電壓/高功率器件和應用的前景。
  ABB Switzerland Semiconductors研發部的總工程師Munaf Rahimo博士說:“碳化矽短期上適合低電壓單極型二極管,它也有潛力用於離散高頻場合中的低功率雙極晶體管和結型場效應晶體管。然而,由於SiC和 Si材料間更高的PN結柵高,雙極性二極管僅對於額定電壓高於4.5kV的器件的傳導損耗方麵能起到些左用。另一方麵,SiC雙極型晶體管並沒有被這個缺 點所阻礙,從長遠上看,它在高壓應用領域還是比其他種類的開關值得關注的。”
  對於SiC技術的快速開關能力,ABB Semiconductors確認說,這種高頻工作能力僅在低雜散電感的環境中才適用,例如低功率/低壓係統中。Rahimo說:“在高功率係統中,雜散 電感很大,要求半導體緩慢地執行開關動作。對於SiC器件,這就意味著讓它慢慢地開關,以適應緩衝器的要求,這會重新引入損耗,而這些損耗原本就是我們試 圖采用昂貴的SiC器件來消除的。”
  另外,Rahimo說,現在底層材料的價格是普通材料的100倍(對於3英寸的SiC晶片),將來或許會降至10倍。雖然SiC晶片的質量有所提升, 器件生產商可以適用更小的模具,(5mm2片)同時保證產量,但是更大尺寸的模具(例如25mm2片的50A二極管)的產量就很低了。相對於晶片直徑6英 寸和12英寸的單片集成電路二極管器件,4英寸的SiC晶片,質量仍舊很差。他補充道:“Si晶片的生產次品率很低,領先SiC功率器件5到10年。”對 於高功率SiC器件的時間線可能更長。
  其他的開發人員也意識到了SiC的缺點,但是仍在繼續開發。

  期望的突破
  對於APEI Inc.的應用,用來刺激SiC技術的突破落在器件和封裝上。Lostetter說:“在器件層麵上,晶片產量是主要關心的,低產量意味著這種器件商品化 的步伐會很慢。”APEI據稱和許多國際生產商合作,以圖獲得器件的高產量,且處於研發階段。但是如果器件不能商品化,使用這些器件的係統也就不能商品 化。
  公司提及的其他要點包括,對於不會降低功率密度性能的壓控常閉器件的需要,以及可以經受住長期可靠性和高溫環境的半導體鍍金工藝。時下很多器件都是常開或者電流控製的。
  Lostetter解釋道,使用常開器件來開發功率係統需要十分小心,特別需要小心的是當係統出現災難性事故時候的保護,例如防止所有功率器件同時打開,直接將電源接地。


圖4:由APEI Inc.開發的用於NASA的金星登陸機器人的
全SiC材料的直流電機驅動,可以應用於500℃以上的溫度中。

  在材料層麵上,APEI看到了對強模具材料的需求,在功率層上它必須長期可靠、防止擴散、耐腐蝕,機械上可靠的功率層,可以應付極端溫度波動不會因為熱擴張和應力破裂而產生損壞。
   一些原型產品已經出現,而一些SiC驅動工程仍有很長的戰線。APEI提及他在於美國政府客戶合作中的令人激動的發展。高功率密度三相電機驅動正在應用 於美國軍隊的未來戰鬥係統(FCS)項目。此係統連接全電子或混合電子戰鬥車輛,目標與2020年完成。Lostetter說:“當APEI論證了 3-5kW SiC電機驅動的時候,實際的需求可能已經倒100-1000kW了,我們相信這些目標的論證會在2-3年內實現,而商業化會在之後的3-5年內實現。”
  APEI公司一個更有野心的項目是為美國國家航空和宇宙航行局NASA的噴氣動力實驗室的金星探索者號(VISE)開發的極端環境用直流電機驅動。這個計劃仍處於設計階段,目標是把探索機器人投放到金星表麵

。VISE類似成功的火星探索機器人,但是金星的環境更加嚴酷:表麵溫度超過485℃,壓力超過90個大氣壓,大氣層硫酸濃度很高。

 

  NASA的時間表
  Lostetter說:“APEI Inc.的基於SiC技術的電機驅動可以允許機器人完成牽引、負重等功能,而且使用齒輪傳動,而不需要昂貴且很重的電子防護和熱處理係統,而在以前,這些 都是必須的。而且基於矽的係統在冷卻液用盡之後的很短時間裏就會出問題。”APEI估計全SiC材料的電機驅動會在2010年完成,這滿足NASA將在 2013年啟動VISE項目的時間安排。
  同時,TransSiC的Hammarlund對於SiC材料難點的去除很有信心,他總結道“到時,我們的產量會很大,而且可以提供50A的芯片。”
  功率控製碳化硅的現狀類似“Catch 22”的情況。當可靠的SiC器件大量可用且價格低廉的時候,用戶和相應的應用場合自然會出現,從另一方麵講,當有足夠的用戶需求的時候,SiC才能商業化。