幾周前，筆者采訪了 EV Open Platform MIH Consortium的首席執(zhí)行官 Jack Cheng 。我們就他在電動(dòng)汽車和整個(gè)電動(dòng)汽車行業(yè)的歷史一探究竟。
2018 年，特斯拉在其新款 Model 3 電動(dòng)汽車中采用了 ST Microelectronics 基于碳化硅的逆變器，顛覆了我們的預(yù)期并震撼了電動(dòng)汽車行業(yè)。它使特斯拉能夠?qū)㈦妱?dòng)汽車最關(guān)鍵的部件之一縮小一半。它激發(fā)了人們對(duì)與行業(yè)本身一樣古老的硅技術(shù)的新興趣。
在本文中，我們將了解基于碳化硅的功率半導(dǎo)體的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。
碳化硅
碳化硅存在于隕石中，但幾乎無處可尋，世界上幾乎所有的碳化硅都是人工合成的。早在 1890 年，托馬斯·愛迪生 (Thomas Edison) 的助手愛德華·古德里奇·艾奇遜 (Edward Goodrich Acheson) 就首次以工業(yè)數(shù)量生產(chǎn)了它。在尋找制造人造鉆石的方法時(shí)，他在電爐中將硅石和碳粉（稱為焦炭）加熱至 2600 攝氏度，這產(chǎn)生了碳化硅的粗晶粒。
他的方法至今仍在工業(yè)中使用——艾奇遜方法。由等量的硅和碳組成，有超過 200 種已知的多晶型晶體，這些是碳化硅多元宇宙中的變體。
目前還不完全理解為什么會(huì)有這么多多型體，但它們都有自己獨(dú)特的身體特征。但只有三種可用于電子器件：3C、4H 和 6H。3C晶圓在高溫下不穩(wěn)定，目前還沒有商用，所以實(shí)際上我們的選擇只有4H和6H。雖然人們已經(jīng)研究了 6H 變體，但大多數(shù)商業(yè)研究正在鞏固到 4H。
碳化硅極其堅(jiān)硬，在 1929 年碳化硼被發(fā)明之前，它是人類已知的最硬的合成物質(zhì)。在工業(yè)上，他們將其用于防彈衣、研磨物體以及用作砂紙的磨料。但在電子產(chǎn)品方面，碳化硅有一個(gè)特殊的特性，即它的晶體管可以在比傳統(tǒng)硅更高的電壓、頻率和溫度下工作。
寬帶隙
為什么碳化硅與合成金剛石和氮化鎵等其他材料一起被稱為“寬帶隙”材料？
半導(dǎo)體材料具有稱為價(jià)帶和導(dǎo)帶的東西。當(dāng)電子獲得過多的能量并變得過于興奮時(shí)，它們會(huì)進(jìn)入導(dǎo)帶。一旦電子進(jìn)入導(dǎo)帶，它們就像能夠在某處攜帶電荷的小自由體，被稱為“電荷載體”。
此外，當(dāng)電子突破價(jià)帶時(shí)，它們會(huì)留下帶正電的空穴（電子是帶負(fù)電的），它們也是電荷載體，能夠進(jìn)行傳導(dǎo)。晶體管之所以起作用，是因?yàn)樗鼈兛梢蕴幱凇伴_”和“關(guān)”狀態(tài)。粗略地說，當(dāng)它們的電子處于導(dǎo)帶時(shí)，晶體管就無法關(guān)閉，變得毫無用處。
帶隙表示使電子跳出價(jià)帶并進(jìn)入導(dǎo)帶所需的能量?？刂婆c失控之間的緩沖區(qū)。緩沖區(qū)越寬，跳頻所需的能量就越多。碳化硅不僅具有超寬帶隙，而且還是一種出色的熱導(dǎo)體。比傳統(tǒng)硅好三倍，僅次于金剛石。這種傳導(dǎo)性使得從任何此類設(shè)備中提取和散發(fā)熱量變得更加容易。
商用硅半導(dǎo)體在突破帶隙之前的最高溫度約為 175 攝氏度。但是，碳化硅可以達(dá)到 300 攝氏度甚至更高，如果使用得當(dāng)，甚至可能達(dá)到 900 度。這種寬帶隙的應(yīng)用不僅僅是耐熱性。隨著功率器件中電壓的增加，它們的電場(chǎng)也會(huì)變強(qiáng)。當(dāng)磁場(chǎng)變得足夠強(qiáng)大時(shí)，設(shè)備就會(huì)遭受所謂的雪崩效應(yīng)。原子分解并釋放大量的自由載流子，導(dǎo)致非常大的電流流過材料。類似于溫度情況。
碳化硅在這種雪崩效應(yīng)爆發(fā)前的臨界電場(chǎng)極限是傳統(tǒng)硅的八到十倍。這意味著碳化硅器件可以處理比硅高很多倍的電壓。既然我們了解了碳化硅的特殊能力及其存在的原因，我們現(xiàn)在可以轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車，以及電動(dòng)汽車如何使用它們。
圖片 電動(dòng)汽車和功率半導(dǎo)體
每輛電動(dòng)汽車都有電力電子設(shè)備。與電池和電動(dòng)牽引電機(jī)一起，電力電子技術(shù)是實(shí)現(xiàn)當(dāng)今實(shí)用電動(dòng)汽車的三大技術(shù)之一。電力電子系統(tǒng)有助于為電池充電并為電機(jī)供電。它們通常由四個(gè)組件組成，但可以說最重要的是逆變器。
電流有兩種類型：交流電或 AC 和直流電或 DC。交流電將在一段時(shí)間內(nèi)沿一個(gè)方向流動(dòng)，然后在剩余的時(shí)間段內(nèi)反向流動(dòng)至另一個(gè)方向。另一方面，DC 僅沿一個(gè)方向流動(dòng)。逆變器將來自 EV 電池的直流電轉(zhuǎn)換為 EV 電機(jī)用來平穩(wěn)運(yùn)行的交流電。這稱為“切換”。執(zhí)行相反方向（從交流到直流）的電路稱為整流器。
硅基電力電子
今天，許多這些電力電子產(chǎn)品都是硅基的。兩種最流行的功率開關(guān)器件是絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）。硅基 MOSFET 適用于低電壓、低功率和高頻應(yīng)用，它們主導(dǎo)著 600 伏以下應(yīng)用的市場(chǎng)。
硅基 IGBT 器件用于高壓、大功率和低頻應(yīng)用，它們?cè)?600 伏和 6.5 千伏之間的應(yīng)用市場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位。Model 3 之前的大多數(shù) EV 逆變器都使用 IGBT 晶體管。
問題是你是否想超越 6.5 千伏的限制。超越這一點(diǎn)，電場(chǎng)就會(huì)變得強(qiáng)大到足以讓傳統(tǒng)的硅電力電子設(shè)備面臨挑戰(zhàn)。
經(jīng)濟(jì)性考慮
當(dāng)今的現(xiàn)代電力電子產(chǎn)品面臨著更多的市場(chǎng)壓力。EV 驅(qū)動(dòng)技術(shù)的成功在很大程度上取決于電力電子設(shè)備在降低運(yùn)營成本的同時(shí)切換電源的效率。開關(guān)過程中的低效率導(dǎo)致功率損耗，這表現(xiàn)為過熱和額外的能量需求。
此外，電力電子電路放置在噴氣式渦輪機(jī)或汽車發(fā)動(dòng)機(jī)附近，溫度高達(dá) 225 攝氏度或更高的非常惡劣的環(huán)境。由于硅固有的溫度限制，這些電力電子設(shè)備必須設(shè)計(jì)有主動(dòng)或被動(dòng)冷卻系統(tǒng)。但是這些系統(tǒng)——風(fēng)冷散熱器、直接接觸液體冷卻、液體冷板等等，從來沒有像我們希望的那樣有效。
這些冷卻系統(tǒng)也很重并且增加了整個(gè)系統(tǒng)的成本。更重、更耗能的電動(dòng)汽車無法像傳統(tǒng)汽車那樣行駛得更遠(yuǎn)或行駛得更快，這降低了它們的整體競(jìng)爭力。增量研究仍在繼續(xù)，但這是基于商用碳化硅的功率晶體管可以徹底改變事物的地方。
由于其更寬的帶隙，基于碳化硅的電力電子設(shè)備可以在高達(dá)十倍的溫度、高達(dá)十倍的電壓和高達(dá)五倍的開關(guān)頻率下工作，它是一種顛覆性技術(shù)。
自 1950 年代電力電子首次進(jìn)入市場(chǎng)以來，人們就看到了碳化硅在電力電子領(lǐng)域的巨大潛力。那么為什么我們直到最近才在市場(chǎng)上看到基于碳化硅的電力電子產(chǎn)品呢？
實(shí)際答案很簡單，與材料本身有關(guān)。碳化硅的優(yōu)點(diǎn)也造成了它的缺點(diǎn)——生產(chǎn)足夠的高純度碳化硅晶圓很困難。
圖片來源：拍信網(wǎng)正版圖庫
碳化硅晶片
今天，硅片是通過首先制造一個(gè)大的硅晶體來制造的。這種晶體是通過提拉法制造的，通過將種子反復(fù)浸入熔融的硅熔體中來生長大晶體，該方法已成功地讓我們制造出當(dāng)今最大的晶圓。如果沒有液態(tài)硅熔體，Czochralski 方法就不起作用。但是碳化硅的固態(tài)直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，而沒有先變成液態(tài)。用一個(gè)化學(xué)短語來說——它在融化之前升華。
正因?yàn)槿绱?，沒有熔體，所以我們傳統(tǒng)的硅方法無法制造碳化硅晶片。我們需要從氣體中生長碳化硅晶體。直到 1950 年代，生產(chǎn)碳化硅晶體的唯一方法是通過艾奇遜法——將二氧化硅和焦炭混合到電弧爐中并讓它燃燒的方法。這對(duì)于制作砂紙來說效果很好，但很難滿足電子設(shè)備的純度要求。
1954 年，飛利浦電子公司的 Jan Anthony Lely 發(fā)現(xiàn)了 Lely 方法。拿一根多孔石墨管并用碳化硅包圍它，然后將管子加熱到 2,500 攝氏，碳化硅會(huì)擴(kuò)散到管子內(nèi)部并在較冷的部分結(jié)晶。Lely 的早期方法創(chuàng)建了隨機(jī)大小的六邊形多型晶體。這是向前邁出的一步，但仍不適用于晶圓。
因此在 1978 年，兩位蘇聯(lián)科學(xué)家 Tairov 和 Tsvetkov 對(duì) Lely 過程進(jìn)行了修改以修復(fù)其缺點(diǎn)。它的工作原理大致相同，但通過非常小心地控制溫度和壓力，科學(xué)家們可以生長出單一多型體的大晶體。
這種改進(jìn)的 Lely 方法，稱為物理氣相傳輸或 PVT 。意味著人們可以以每小時(shí)幾毫米的速度生長一種純碳化硅多晶型的晶錠。然而，它并不完美。
公司仍在努力制造更大尺寸的晶圓 （200 毫米左右 ）并且缺陷率并不是人們想要的。使晶圓符合標(biāo)準(zhǔn)可能是該工藝面臨的最大挑戰(zhàn)，但并不是唯一的挑戰(zhàn)。碳化硅在半導(dǎo)體加工中提出了一些其他挑戰(zhàn)。
例如，您只能使用合成鉆石切割晶圓，這會(huì)增加整體成本。還有就是純碳化硅是絕緣體，所以需要摻雜才能導(dǎo)電。但是將摻雜劑擴(kuò)散到碳化硅中需要非常高的溫度，因此需要其他方法。
圖片 碳化硅電力電子
英飛凌于 2001 年推出了首款商用碳化硅功率器，一種肖特基二極管。與傳統(tǒng)的硅變體相比具有巨大優(yōu)勢(shì)。下一個(gè)主要的新商業(yè)化產(chǎn)品是碳化硅 MOSFET，功率MOSFET由于開關(guān)速度快，適合高壓大電流應(yīng)用而被工業(yè)界廣泛使用。
碳化硅 MOSFET 芯片于 2010 年由一家名為 Cree 的北卡羅來納州公司首次商業(yè)化。他們最近于 2021 年 10 月更名為 Wolfspeed。其他公司很快進(jìn)入該領(lǐng)域，包括 ST Microelectronics、ROHM、Infineon 和 Microsemi。電動(dòng)汽車逆變器市場(chǎng)已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)價(jià)值數(shù)十億美元的市場(chǎng)。同時(shí)，改進(jìn)的制造工藝降低了新設(shè)備的成本。
在晶體管和二極管組件成本改善的推動(dòng)下，2013 年每個(gè)逆變器單元的成本已降至 450 美元左右，到 2020 年已降至約 450 美元。盡管與傳統(tǒng)硅器件仍然存在價(jià)格差距，但價(jià)格差距已大大縮小。
但即使存在價(jià)格差距，您也可以設(shè)計(jì)和部署連接冷卻系統(tǒng)少得多的逆變器。這些空間、成本和尺寸的節(jié)省確實(shí)加起來了，人們預(yù)計(jì)碳化硅 MOSFET 將開始在其傳統(tǒng)市場(chǎng)據(jù)點(diǎn)中挑戰(zhàn)硅 IGBT。
對(duì)于碳化硅來說，這是一個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)刻。（文：半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫（ID:ICVIEWS）編譯自asianometry）
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