从硅到碳化硅(SiC) 有哪些好处和应用？

碳化硅 (SiC) 具有提高电动汽车整体系统效率的潜力。在太阳能行业，碳化硅逆变器优化在成本节约方面也发挥着很大的作用。在这个与俄亥俄州立大学电气与计算机工程系 IEEE 院士教授 Anant Agarwal 的播客中，我们将发现 SiC 的好处和应用。

讨论的文章：

改进碳化硅晶圆工艺

碳化硅功率模块建模

商用 1.2 kV 4H-SiC 功率 MOSFET 的栅极漏电流行为研究

商用 1.2 kV 碳化硅功率 MOSFET 的阈值电压不稳定性

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欢迎来到 Powerup，这是由 Maurizio Di Paolo Emilio 主持的播客节目，它为 PowerElectronicsNews.com 和其他 AspenCore Media 出版物上的一些关于电力电子技术和产品的故事带来了生命。

在这个节目中，您将听到工程师和高管讨论电力电子和汽车、工业和消费等市场的新闻、挑战和机遇。这是您的主持人、电力电子新闻和 EEWeb.com 的主编 Maurizio Di Paolo Emilio。

-32.50

毛里齐奥·迪·保罗·埃米利奥

大家好，欢迎来到 Powerup 的这一新剧集。在这一集中，我们将讨论碳化硅。我们将发现从硅到碳化硅的转变。碳化硅的优点可以是高导热性、低热膨胀系数、高最大电流密度。这些特性提供了出色的电气性能，尤其是与硅相比时。这些特性使碳化硅非常有利于需要高电流、高温和高导热性的高功率应用。许多制造商正在向碳化硅迈进，在电动汽车、太阳能系统和数据中心等应用中使用碳化硅。由于行业对高品质的需求，碳化硅已在汽车行业流行起来，可靠性和效率。在这个与俄亥俄州立大学电气与计算机工程系 IEEE 院士教授 Anant Agarwal 的播客中，我们将发现碳化硅的好处和应用。他贡献了 60 多项专利，并在会议和期刊上发表了大量研究论文。他与人合着了一本关于碳化硅技术的书。

让我们和阿南特谈谈。

-31.30

毛里齐奥·迪·保罗·埃米利奥

嗨，阿南特。非常感谢您的光临。感谢您有机会参加这些播客。非常感谢。你好吗？

-31.21

阿南特·阿加瓦尔

我很好谢谢。

-31.19

毛里齐奥·迪·保罗·埃米利奥

那么，今天这一集的主题是碳化硅，从硅到碳化硅的过渡，但在详细介绍之前，我想请您介绍一下您自己，您的职业，您的角色和您的工作。

-31.01

阿南特·阿加瓦尔

当然。您知道，非常感谢您提供这个机会。我想我是在 1993 年在匹兹堡的西屋科技中心开始研究碳化硅功率器件的，之后我在 Cree 工作了 14 年，现在被称为 Wolfspeed。2013 年，我退出 Cree 并加入美国能源部，在那里我创建了 Power America，以促进美国宽带隙功率器件的制造。

而且，你知道，我认为 X FAB 取得了巨大的成功。它是德克萨斯州拉伯克的一家铸造厂，今天开始进行一些碳化硅制造，有超过 25 家公司在那里工作。我们所做的另一件事是培养 200 名电力电子学博士，他们将帮助在未来 10 到 20 年内采用这些宽带隙器件。而且，你知道，我应该说，在 2013 年到 2014 年的时间框架内，在美国能源部，我们已经看到宽带隙设备将用于电动汽车。所以，我们开始在 PowerAmerica 大力资助它，所有这些都得到了回报。

是的，总而言之，您知道，我在碳化硅设备方面拥有 28 年的经验，并且享受其中的每一分钟。顺便说一下，我最近和我在纽约的同事成立了一家公司，名为 NoMIS Power Group，以帮助新公司进行碳化硅制造。所以，我就到此为止吧……

-28.50

毛里齐奥·迪·保罗·埃米利奥

好的，好的，谢谢阿南特。所以，正如我所说，碳化硅是今天的主题。因此，碳化硅有可能通过提高整体系统效率来增加电动汽车的行驶距离。在太阳能行业中，碳化硅逆变器优化可以起到，也可以起到很大的效率和节约成本的作用。因此，如您所知，我们看到了对碳化硅的大量投资。自从从硅过渡到碳化硅以来，我想问您在基板、封装、形状因素方面优化成本性能与材料之间的权衡的最重要的点、挑战或最关键的问题，电路布局，例如，等等？碳化硅半导体的未来如何？

-27.40

阿南特·阿加瓦尔

这是一个很好的问题。因此，假设用于电动汽车的碳化硅的往返效率高达 7% 到 8%。因此，在电动汽车中使用碳化硅绝对是一个很好的理由。但正如你所说，有很多挑战。第一个显然是成本。我早年在 DOE 时谈过很多这件事。今天，我最好的猜测是，对于典型的 1200 伏碳化硅 MOSFET，批量定价可能低至每安培 10 美分，但如果您看一下硅 IGBT，大约每安培 2 美分，而且批量较大。所以很明显，碳化硅很难进入这个市场。幸运的是，您知道，像特斯拉这样的公司在成为首批采用者方面表现出了极大的领导力。所以这是一件好事。另一个好处是，到 2023 年，我们将转向 200 毫米晶圆。因此，我猜测批量定价可能会降至每安培 6 美分左右，但距离每安培 2 美分还很远。因此，为了让每放大器至少 3 美分，我认为这是一个重要的里程碑，我们确实需要降低基板和外延层的价格，这是最昂贵的两个项目。通常，音量将解决这些问题。但我认为我们在全球范围内的供应商很少，可能不到 10 家，无论是基板还是外延。所以我的感觉是这将在五到六年内慢慢发生。但是你可以看到今天的趋势，世界各地都在发生重大整合。但是，我认为每安培达到 3 美分还需要五到六年的时间。顺便一提，来自日本的另一个重大突破可以帮助我们，他们在碳化硅 MOSFET 中具有两倍的反转迁移率。因此，这将有助于将设备尺寸缩小 30%。而且，希望成本。所以，我认为我们正在解决成本问题，我们应该在五到六年后到达那里。还有一个我应该提到的问题，那就是，如果你看看普通乘用车的 EV 逆变器，400 伏需要大约 2400 安培这意味着我们应该在 150 到 200 A 的设备上工作，因为我们不想在一个电源模块中并联许多设备，因为您知道这会导致电流共享的其他可靠性问题。但是今天的器件尺寸受限于该外延层上的缺陷，即表面缺陷。所以，你知道今天如果我们看 100 辆车，他们的缺陷范围从每平方厘米第一个缺陷到每平方厘米两个缺陷。因此，我认为必须大幅提高缺陷的外延质量。当然，最后还有栅极氧化层可靠性问题，当然，短路耐受时间非常低。所以，在我们到达那里之前，我们必须解决一些挑战，我应该到此为止。

-23.23

毛里齐奥·迪·保罗·埃米利奥

好的。所以，让我们进入技术方面，技术细节，碳化硅 MOSFET 器件的商业化在过去十年中得到了扩展，最近几年栅极氧化物的可靠性是一个，是他们的主要问题，因为它划分了器件的使用寿命. 在您的一篇题为“商用 1.2 kV 4H-SiC 功率 MOSFET 的栅极漏电流行为调查”的文章中，您……我的意思是，您的团队研究了商用 1.2 千瓦碳化硅功率 MOSFET 在不同栅极电压下的栅极泄漏电流。你能告诉我更多关于这次调查、你的工作以及正在调查的其他参数来评估碳化硅的性能吗？

– 22.17

阿南特·阿加瓦尔

是的，毛里齐奥问得好。因此，首先，您知道，如果您查看碳化硅中的栅极氧化物问题，就会发现有两个问题。一是MOSFET的寿命。其次，您如何筛选出具有不良栅极氧化物的器件。所以，这是我们在实验室中研究的两个问题。所以，让我们先谈谈寿命预测。因此，许多电动汽车制造商更喜欢 100 年。所以，您知道可靠性测试是在高温下在栅极两端的非常高的电压下进行的，然后我们加速故障和栅极氧化物，然后我们将这些数据投影回工作电压，栅极中通常为 20 伏。所以，我们称这些测试时间为相关的介电击穿测试，每个人都使用它们，在我们的团队中，我们测试了我们可用的所有商业设备，你知道，好消息是它们都通过了终身标准。所以，这确实是非常非常好的消息。因此，总的来说，我必须说碳化硅 MOSFET 中的栅极氧化物质量足够高。所以这不是一个主要的担忧。但让我有点担心的第二个问题是这个表面，我之前提到的外延层上的缺陷。因此，无论该缺陷在哪里，这些缺陷都会并入栅极氧化物中，而氧化物本身就很脆弱。所以，这种缺陷可能是硅落下，所谓的三角形缺陷，还有许多其他类型的表面缺陷。你知道，这些类型的缺陷非常高。因此，根据设备尺寸，如果您要使用高电流设备和 200 安培，您可能有 30% 到 40% 的设备包含这些缺陷，您必须将它们筛选出来，因为您不能让它们进入现场。那么我们该怎么办？我们施加最大可能的栅极电压，条件是栅极氧化层中每厘米不应超过 9 兆伏，在制造过程中的极短时间和晶圆级，我们希望带有栅极氧化层的器件短路所以我们可以把它们扔掉。所以，但取决于缺陷的大小，这在硅中并非如此，但在碳化硅中肯定是这样，我们有很多缺陷，其中一些设备将逃脱筛选过程，因为显然你不能筛选太长时间。所以，然后他们会导致影片失败，而这些都是不可接受的。因此，在这里，沟槽质量分布或平面质量宽度具有明显的优势。所以，英飞凌的 Tom Aichinger 和他的同事实际上已经指出了这一点，他们拥有的来自英飞凌的沟槽器件具有更厚的栅极氧化物，几乎 700 埃的栅极氧化物与平面 MOSFET 中的 350 埃相比。因此，它们可以施加更高的栅极电压，因此，它们可以筛选出几乎所有的缺陷。所以，我会说寿命很好，但必须提高外延层质量以减少表面缺陷。

-17.51

毛里齐奥·迪·保罗·埃米利奥

因此，正如您所提到的，我们在所有电源转换领域的许多应用和新设计，包括逆变器大功率 AC/DC、DC/DC 转换器都在增加使用碳化硅解决方案。因此，我想如果不使用低电感封装，就无法利用碳化硅技术。那么，它的作用是什么？这个封装，碳化硅封装是什么意思？此外，还有一个问题，如果我考虑在我的下一个项目中使用碳化硅，我的下一个 EV 电池充电器设计，例如 EV 动力传动系统，这是我应该拥有的主要内容、主要建议和主要功能考虑到？

-16.50

阿南特·阿加瓦尔

是的，这是一个非常非常相关的问题。你知道，在早期，当我们开始制造碳化硅器件时，我们只是将它们封装在一个典型的硅 IGBT 封装功率模块中，它并没有真正起作用，它只会导致很多振荡。所以，如果你考虑一个 1200 伏 400 安培半桥模块，这是主力，因为碳化硅器件开关非常快，我们必须将杂散电感保持在 5 毫微亨以下，这样对于硅 IGBT 模块来说这不是问题，你可以有更高的电感。但是对于碳化硅，您需要将它们保持在 5 毫微亨以下。这并不容易。您必须担心设备和布局的放置并使用大量模拟。第二，您必须担心杂散电容，因为每个人都使用双键合铜基板，并且有很多电容会导致共模噪声。第三，我想说我们发现的关键问题之一是碳化硅和铜之间的膨胀系数不匹配。这意味着非常大的设备将无法承受温度循环，它们会直接脱落。所以，在这里必须要有创意，寻找其他材料，这是我们必须解决的问题。然后很明显，我们需要担心热阻，它应该小于每瓦 1 摄氏度。到达那里并不容易。然后我必须提到的另一个问题，我们必须计算，也就是说，如果您查看来自给定供应商的 100 个设备，您会看到阈值电压在 1 到 2 伏之间变化。如果您只是将这些设备随机放置在一个电源模块中，您将在设备之间获得大量均等的电流共享。这对电源模块的长期可靠性来说从来都不是好事。所以这意味着您必须正确匹配设备中的阈值电压，这肯定会增加成本。最后，我可以说我们可以使用高温灌封材料，而不是硅胶，而是其他可以承受设备高达 200 摄氏度结温的材料，这绝对是一个优势。所以，总的来说，我认为我们不需要非常激进地思考，只要仔细的设计就能让我们达到目标。而且，您知道，最终，我们不能将非常昂贵的镀金封装用于电动汽车应用。因此，我们必须找到解决这些问题的简单方法。您将在设备之间获得大量均等的电流共享。这对电源模块的长期可靠性来说从来都不是好事。所以这意味着您必须正确匹配设备中的阈值电压，这肯定会增加成本。最后，我可以说我们可以使用高温灌封材料，而不是硅胶，而是其他可以承受设备高达 200 摄氏度结温的材料，这绝对是一个优势。所以，总的来说，我认为我们不需要非常激进地思考，只要仔细的设计就能让我们达到目标。而且，您知道，最终，我们不能将非常昂贵的镀金封装用于电动汽车应用。因此，我们必须找到解决这些问题的简单方法。您将在设备之间获得大量均等的电流共享。这对电源模块的长期可靠性来说从来都不是好事。所以这意味着您必须正确匹配设备中的阈值电压，这肯定会增加成本。最后，我可以说我们可以使用高温灌封材料，而不是硅胶，而是其他可以承受设备高达 200 摄氏度结温的材料，这绝对是一个优势。所以，总的来说，我认为我们不需要非常激进地思考，只要仔细的设计就能让我们达到目标。而且，您知道，最终，我们不能将非常昂贵的镀金封装用于电动汽车应用。因此，我们必须找到解决这些问题的简单方法。这对电源模块的长期可靠性来说从来都不是好事。所以这意味着您必须正确匹配设备中的阈值电压，这肯定会增加成本。最后，我可以说我们可以使用高温灌封材料，而不是硅胶，而是其他可以承受设备高达 200 摄氏度结温的材料，这绝对是一个优势。所以，总的来说，我认为我们不需要非常激进地思考，只要仔细的设计就能让我们达到目标。而且，您知道，最终，我们不能将非常昂贵的镀金封装用于电动汽车应用。因此，我们必须找到解决这些问题的简单方法。这对电源模块的长期可靠性来说从来都不是好事。所以这意味着您必须正确匹配设备中的阈值电压，这肯定会增加成本。最后，我可以说我们可以使用高温灌封材料，而不是硅胶，而是其他可以承受设备高达 200 摄氏度结温的材料，这绝对是一个优势。所以，总的来说，我认为我们不需要非常激进地思考，只要仔细的设计就能让我们达到目标。而且，您知道，最终，我们不能将非常昂贵的镀金封装用于电动汽车应用。因此，我们必须找到解决这些问题的简单方法。我可以说我们可以使用高温灌封材料，而不是硅胶，而是其他可以承受高达 200 摄氏度的设备结温的材料，这绝对是一个优势。所以，总的来说，我认为我们不需要非常激进地思考，只要仔细的设计就能让我们达到目标。而且，您知道，最终，我们不能将非常昂贵的镀金封装用于电动汽车应用。因此，我们必须找到解决这些问题的简单方法。我可以说我们可以使用高温灌封材料，而不是硅胶，而是其他可以承受高达 200 摄氏度的设备结温的材料，这绝对是一个优势。所以，总的来说，我认为我们不需要非常激进地思考，只要仔细的设计就能让我们达到目标。而且，您知道，最终，我们不能将非常昂贵的镀金封装用于电动汽车应用。因此，我们必须找到解决这些问题的简单方法。

-13.29

毛里齐奥·迪·保罗·埃米利奥

好的。这很棒。所以，你提到了阈值电压。事实上，我想和你谈谈你写的下一篇文章，关于“商用 1.2 kV SiC 功率 MOSFET 的阈值电压不稳定性”。因此，您分析了一些商业设备中这些设备的阈值电压不稳定性，以确定它们对汽车应用的稳健性，这些应用需要严格的可靠性要求。那么，对此有哪些考虑，你知道......你能告诉我更多关于这篇论文，你写的这篇文章吗？

-12.27

阿南特·阿加瓦尔

一定一定。所以，您知道，我们早就知道碳化硅中的栅极氧化物在整个薄膜厚度上分布着许多缺陷。发生这种情况是因为我们有碳在氧化过程等过程中试图逃逸。并且可能存在来自 SiC 表面本身的缺陷。所以，我们所做的，我们在栅极上施加直流电压，比如 20 伏，400 小时，我们看到 2 到 3 伏，变化超过 100 小时。发生的事情是电子从碳化硅注入栅极氧化物并被捕获。好消息是......所以，你知道，我们的结果表明这些缺陷是存在的。不同的供应商有不同的缺陷密度，因为他们可能有不同的栅极氧化物生长技术。因此，某些供应商肯定比其他供应商更好。但好消息是，如果你用 20 伏的电压打开设备然后关闭它，并进行数百万次这样的循环，转换器将看到这些设备的方式，阈值电压在开启脉冲期间增加，但在关闭脉冲期间它会降低，因为所有电子回来了。所以我认为这样做的正确方法是进行数百万次开关循环，人们还没有这样做。而且您知道，在 MOSFET 的整个使用寿命期间，您只会获得一到两个变化。但同样，不同制造商之间存在很大差异。所以，实际上，这没什么大不了的，它不会影响电源转换器，但仅仅在氧化物中有缺陷从来都不是一件好事，它只会让你怀疑。我们已经指出的第二个问题是，你知道由于界面缺陷，反型层迁移率非常低。所以，碳化硅中的反型层迁移率通常为每伏秒 20 平方厘米，硅超过 100，这是一个很大的缺点。为了解决这个问题，我们多年来所做的是将沟道和 2.4 微米缩小，并将栅极氧化层厚度降低到 300 到 400 埃。如果您通常查看硅，沟道长度超过 1 微米，氧化物厚度约为 1000 埃。所以，当你像我们一样进入短通道时，它会产生非常低的短路耐受时间，只有两到四微秒，而且不同供应商之间也存在很大差异。而且如果我们从相同的设备中取出设备并且有很多传播。因此，现在，必须检测短路故障并在一微秒内关闭 MOSFET 的栅极驱动器承受着巨大的负担。所以，我认为我们首先需要在不放弃性能的情况下改进短路耐受时间的设备，实际上我应该说我之前提到的我的公司取得了重大突破，我们可以达到 8 到 10 微秒的短路今天的电路耐受时间。我提到的用于碳化硅的苯酚栅极氧化物会导致其自身的一系列问题，首先阈值电压变得非常低，低至两伏。因此，由于高 dV/dT，存在意外开启的危险，这很糟糕。其次，由于您有 300、400 安培的电流，因此在 EV 中，您可能会因转换器中的寄生电感而导致栅极反弹，这可能会炸毁栅极。所以，我一直建议我们使用 Ticker 栅极氧化物，您通常从以下位置了解沟槽 MOSFET，具有更厚的栅极氧化物，几乎是平面 D MOSFET 的两倍，因为它们具有更高的反型层迁移率。因此，总而言之，我应该说栅极氧化层中的缺陷不是主要问题，但我们应该密切关注它。所有这些来自日本的移动性进步，我们应该用它们来加厚栅极氧化物。并且我们应该改进器件设计以提高短路耐受时间。所以这是我认为我们应该担心的三件事。并且我们应该改进器件设计以提高短路耐受时间。所以这是我认为我们应该担心的三件事。并且我们应该改进器件设计以提高短路耐受时间。所以这是我认为我们应该担心的三件事。

-6.41

毛里齐奥·迪·保罗·埃米利奥

是的，这非常非常有趣。所以，我想建议，让用户也阅读我之前提到的你的文章。此外，我在此播客中报告了有关栅极漏电流和阈值电压的文章。所以 Anant，我们得出结论，只是我的最后一个，关于碳化硅，你的下一个项目是什么？因此，碳化硅和氮化镓可以为创建下一代智能电网以解决能源问题做出贡献。在分布式太阳能发电系统中，每个发电机组都能够执行其主要功能。半导体技术是提供具有竞争力的设计的关键要素，您对此有何考虑？

-5.36

阿南特·阿加瓦尔

是的，那是一个非常好的问题，非常贴近我的心。你知道，我一直认为碳化硅可以通过使分布式发电和分布式电网成为可能来对抗全球变暖、脱碳。所以，你知道，分散式电网就是答案，在这里我认为碳化硅将发挥重要作用，因为它具有更高的效率和更高的开关速度。此外，急需的是高压碳化硅器件，3.3千伏12千伏碳化硅MOSFET，这也是我们公司再次专注于这些高压器件和电源模块的原因。所以，您知道，如果您查看 3.3 千伏特硅 IGBT 只能以 1 到 2 千赫兹开关，而碳化硅 MOSFET 将以 15 千赫兹开关并提供 5% 的高效率。但这些资产在电网中的大问题是无人看管。因此，如果您使用压缩机通过液体冷却来冷却硅 IGBT，那么大部分时间泵会停机并需要维护。因此，我认为我们必须考虑在这些无人值守的资产中对高压碳化硅 MOSFET 进行空气冷却。如果我们可以改进电源模块，我认为 200 摄氏度的结温将非常有用。您知道，我们正在进行的另一个项目是将高压横向 MOSFET 集成在一个芯片中的碳化硅 CMOS。所以，硅智能芯片已经出现，它们无处不在，它们有 100 伏的 MOSFET 和大量的 CMOS 电路，我们可以达到 600 伏。这意味着与硅芯片相比，我们可以在碳化硅芯片上处理六倍的功率。所以，我认为这将打开很多应用程序，碳化硅技术已经足够成熟来做到这一点。我们正在与奥尔巴尼的 SUNY Poly 和我们公司合作解决这个问题。所以，最后，在尖端工作是非常令人兴奋的，看到碳化硅终于成功，我感到非常满意。经过 25 年的努力，实际上是由世界各地的许多科学家和工程师进行的。我当然从 1993 年就开始参与了。所以，我很享受其中的每一分钟。来自世界各地的许多科学家和工程师。我当然从 1993 年就开始参与了。所以，我很享受其中的每一分钟。来自世界各地的许多科学家和工程师。我当然从 1993 年就开始参与了。所以，我很享受其中的每一分钟。

-2.12

毛里齐奥·迪·保罗·埃米利奥

好，太棒了。非常感谢，阿南特。很高兴与您交谈。感谢您参加此播客。非常感谢，请继续关注碳化硅。

-1.57

阿南特·阿加瓦尔

是的，非常感谢。

-1.52

毛里齐奥·迪·保罗·埃米利奥

谢谢阿南特，非常感谢！

因此，就效率而言，在电动汽车中使用碳化硅是有充分理由的，但在能源的其他应用中也是如此。无论如何，我们也有很多挑战，其中之一就是成本。正如 Anant 所说，特斯拉在成为第一个采用者方面表现出了极大的领导力……所以，这是一件好事！

Anant 表示，到 2023 年，我们将转向 200 毫米晶圆，因此批量定价可能会降至每安培 6 美分左右。如果您查看普通乘用车的 EV 逆变器，每 400 伏需要大约 2400 安培。这意味着我们应该使用 150 到 200 安培的设备，因为我们不想在一个电源模块中并联许多设备，因为这会带来其他电流问题。Anant 一直认为碳化硅可以通过使分布式发电、分布式电网成为可能来对抗全球变暖脱碳。因此，正如 Anant 所说，去中心化电网就是答案，他认为碳化硅将在很多应用中发挥重要作用，因为它具有更高的效率和更高的开关速度。这将我们带到了这一集的结尾。请继续关注有关电力电子的更多新闻和技术方面的信息。。Powerup 由 AspenCore Media 为您带来，主持人是 Maurizio Di Paolo Emilio，制作人是 James Ede。谢谢大家的收听，下期再见。敬请关注！

审核编辑 黄昊宇