碳化硅 (SiC) 具有提高電動汽車整體系統效率的潛力。在太陽能行業，碳化硅逆變器優化在成本節約方面也發揮著很大的作用。在這個與俄亥俄州立大學電氣與計算機工程系 IEEE 院士教授 Anant Agarwal 的播客中，我們將發現 SiC 的好處和應用。

討論的文章：

改進碳化硅晶圓工藝

碳化硅功率模塊建模

商用 1.2 kV 4H-SiC 功率 MOSFET 的柵極漏電流行為研究

商用 1.2 kV 碳化硅功率 MOSFET 的閾值電壓不穩定性

轉錄

開始

歡迎來到 Powerup，這是由 Maurizio Di Paolo Emilio 主持的播客節目，它為 PowerElectronicsNews.com 和其他 AspenCore Media 出版物上的一些關于電力電子技術和產品的故事帶來了生命。

在這個節目中，您將聽到工程師和高管討論電力電子和汽車、工業和消費等市場的新聞、挑戰和機遇。這是您的主持人、電力電子新聞和 EEWeb.com 的主編 Maurizio Di Paolo Emilio。

-32.50

毛里齊奧·迪·保羅·埃米利奧

大家好，歡迎來到 Powerup 的這一新劇集。在這一集中，我們將討論碳化硅。我們將發現從硅到碳化硅的轉變。碳化硅的優點可以是高導熱性、低熱膨脹系數、高最大電流密度。這些特性提供了出色的電氣性能，尤其是與硅相比時。這些特性使碳化硅非常有利于需要高電流、高溫和高導熱性的高功率應用。許多制造商正在向碳化硅邁進，在電動汽車、太陽能系統和數據中心等應用中使用碳化硅。由于行業對高品質的需求，碳化硅已在汽車行業流行起來，可靠性和效率。在這個與俄亥俄州立大學電氣與計算機工程系 IEEE 院士教授 Anant Agarwal 的播客中，我們將發現碳化硅的好處和應用。他貢獻了 60 多項專利，并在會議和期刊上發表了大量研究論文。他與人合著了一本關于碳化硅技術的書。

讓我們和阿南特談談。

-31.30

毛里齊奧·迪·保羅·埃米利奧

嗨，阿南特。非常感謝您的光臨。感謝您有機會參加這些播客。非常感謝。你好嗎？

-31.21

阿南特·阿加瓦爾

我很好謝謝。

-31.19

毛里齊奧·迪·保羅·埃米利奧

那么，今天這一集的主題是碳化硅，從硅到碳化硅的過渡，但在詳細介紹之前，我想請您介紹一下您自己，您的職業，您的角色和您的工作。

-31.01

阿南特·阿加瓦爾

當然。您知道，非常感謝您提供這個機會。我想我是在 1993 年在匹茲堡的西屋科技中心開始研究碳化硅功率器件的，之后我在 Cree 工作了 14 年，現在被稱為 Wolfspeed。2013 年，我退出 Cree 并加入美國能源部，在那里我創建了 Power America，以促進美國寬帶隙功率器件的制造。

而且，你知道，我認為 X FAB 取得了巨大的成功。它是德克薩斯州拉伯克的一家鑄造廠，今天開始進行一些碳化硅制造，有超過 25 家公司在那里工作。我們所做的另一件事是培養 200 名電力電子學博士，他們將幫助在未來 10 到 20 年內采用這些寬帶隙器件。而且，你知道，我應該說，在 2013 年到 2014 年的時間框架內，在美國能源部，我們已經看到寬帶隙設備將用于電動汽車。所以，我們開始在 PowerAmerica 大力資助它，所有這些都得到了回報。

是的，總而言之，您知道，我在碳化硅設備方面擁有 28 年的經驗，并且享受其中的每一分鐘。順便說一下，我最近和我在紐約的同事成立了一家公司，名為 NoMIS Power Group，以幫助新公司進行碳化硅制造。所以，我就到此為止吧……

-28.50

毛里齊奧·迪·保羅·埃米利奧

好的，好的，謝謝阿南特。所以，正如我所說，碳化硅是今天的主題。因此，碳化硅有可能通過提高整體系統效率來增加電動汽車的行駛距離。在太陽能行業中，碳化硅逆變器優化可以起到，也可以起到很大的效率和節約成本的作用。因此，如您所知，我們看到了對碳化硅的大量投資。自從從硅過渡到碳化硅以來，我想問您在基板、封裝、形狀因素方面優化成本性能與材料之間的權衡的最重要的點、挑戰或最關鍵的問題，電路布局，例如，等等？碳化硅半導體的未來如何？

-27.40

阿南特·阿加瓦爾

這是一個很好的問題。因此，假設用于電動汽車的碳化硅的往返效率高達 7% 到 8%。因此，在電動汽車中使用碳化硅絕對是一個很好的理由。但正如你所說，有很多挑戰。第一個顯然是成本。我早年在 DOE 時談過很多這件事。今天，我最好的猜測是，對于典型的 1200 伏碳化硅 MOSFET，批量定價可能低至每安培 10 美分，但如果您看一下硅 IGBT，大約每安培 2 美分，而且批量較大。所以很明顯，碳化硅很難進入這個市場。幸運的是，您知道，像特斯拉這樣的公司在成為首批采用者方面表現出了極大的領導力。所以這是一件好事。另一個好處是，到 2023 年，我們將轉向 200 毫米晶圓。因此，我猜測批量定價可能會降至每安培 6 美分左右，但距離每安培 2 美分還很遠。因此，為了讓每放大器至少 3 美分，我認為這是一個重要的里程碑，我們確實需要降低基板和外延層的價格，這是最昂貴的兩個項目。通常，音量將解決這些問題。但我認為我們在全球范圍內的供應商很少，可能不到 10 家，無論是基板還是外延。所以我的感覺是這將在五到六年內慢慢發生。但是你可以看到今天的趨勢，世界各地都在發生重大整合。但是，我認為每安培達到 3 美分還需要五到六年的時間。順便一提，來自日本的另一個重大突破可以幫助我們，他們在碳化硅 MOSFET 中具有兩倍的反轉遷移率。因此，這將有助于將設備尺寸縮小 30%。而且，希望成本。所以，我認為我們正在解決成本問題，我們應該在五到六年后到達那里。還有一個我應該提到的問題，那就是，如果你看看普通乘用車的 EV 逆變器，400 伏需要大約 2400 安培這意味著我們應該在 150 到 200 A 的設備上工作，因為我們不想在一個電源模塊中并聯許多設備，因為您知道這會導致電流共享的其他可靠性問題。但是今天的器件尺寸受限于該外延層上的缺陷，即表面缺陷。所以，你知道今天如果我們看 100 輛車，他們的缺陷范圍從每平方厘米第一個缺陷到每平方厘米兩個缺陷。因此，我認為必須大幅提高缺陷的外延質量。當然，最后還有柵極氧化層可靠性問題，當然，短路耐受時間非常低。所以，在我們到達那里之前，我們必須解決一些挑戰，我應該到此為止。

-23.23

毛里齊奧·迪·保羅·埃米利奧

好的。所以，讓我們進入技術方面，技術細節，碳化硅 MOSFET 器件的商業化在過去十年中得到了擴展，最近幾年柵極氧化物的可靠性是一個，是他們的主要問題，因為它劃分了器件的使用壽命. 在您的一篇題為“商用 1.2 kV 4H-SiC 功率 MOSFET 的柵極漏電流行為調查”的文章中，您……我的意思是，您的團隊研究了商用 1.2 千瓦碳化硅功率 MOSFET 在不同柵極電壓下的柵極泄漏電流。你能告訴我更多關于這次調查、你的工作以及正在調查的其他參數來評估碳化硅的性能嗎？

– 22.17

阿南特·阿加瓦爾

是的，毛里齊奧問得好。因此，首先，您知道，如果您查看碳化硅中的柵極氧化物問題，就會發現有兩個問題。一是MOSFET的壽命。其次，您如何篩選出具有不良柵極氧化物的器件。所以，這是我們在實驗室中研究的兩個問題。所以，讓我們先談談壽命預測。因此，許多電動汽車制造商更喜歡 100 年。所以，您知道可靠性測試是在高溫下在柵極兩端的非常高的電壓下進行的，然后我們加速故障和柵極氧化物，然后我們將這些數據投影回工作電壓，柵極中通常為 20 伏。所以，我們稱這些測試時間為相關的介電擊穿測試，每個人都使用它們，在我們的團隊中，我們測試了我們可用的所有商業設備，你知道，好消息是它們都通過了終身標準。所以，這確實是非常非常好的消息。因此，總的來說，我必須說碳化硅 MOSFET 中的柵極氧化物質量足夠高。所以這不是一個主要的擔憂。但讓我有點擔心的第二個問題是這個表面，我之前提到的外延層上的缺陷。因此，無論該缺陷在哪里，這些缺陷都會并入柵極氧化物中，而氧化物本身就很脆弱。所以，這種缺陷可能是硅落下，所謂的三角形缺陷，還有許多其他類型的表面缺陷。你知道，這些類型的缺陷非常高。因此，根據設備尺寸，如果您要使用高電流設備和 200 安培，您可能有 30% 到 40% 的設備包含這些缺陷，您必須將它們篩選出來，因為您不能讓它們進入現場。那么我們該怎么辦？我們施加最大可能的柵極電壓，條件是柵極氧化層中每厘米不應超過 9 兆伏，在制造過程中的極短時間和晶圓級，我們希望帶有柵極氧化層的器件短路所以我們可以把它們扔掉。所以，但取決于缺陷的大小，這在硅中并非如此，但在碳化硅中肯定是這樣，我們有很多缺陷，其中一些設備將逃脫篩選過程，因為顯然你不能篩選太長時間。所以，然后他們會導致影片失敗，而這些都是不可接受的。因此，在這里，溝槽質量分布或平面質量寬度具有明顯的優勢。所以，英飛凌的 Tom Aichinger 和他的同事實際上已經指出了這一點，他們擁有的來自英飛凌的溝槽器件具有更厚的柵極氧化物，幾乎 700 埃的柵極氧化物與平面 MOSFET 中的 350 埃相比。因此，它們可以施加更高的柵極電壓，因此，它們可以篩選出幾乎所有的缺陷。所以，我會說壽命很好，但必須提高外延層質量以減少表面缺陷。

-17.51

毛里齊奧·迪·保羅·埃米利奧

因此，正如您所提到的，我們在所有電源轉換領域的許多應用和新設計，包括逆變器大功率 AC/DC、DC/DC 轉換器都在增加使用碳化硅解決方案。因此，我想如果不使用低電感封裝，就無法利用碳化硅技術。那么，它的作用是什么？這個封裝，碳化硅封裝是什么意思？此外，還有一個問題，如果我考慮在我的下一個項目中使用碳化硅，我的下一個 EV 電池充電器設計，例如 EV 動力傳動系統，這是我應該擁有的主要內容、主要建議和主要功能考慮到？

-16.50

阿南特·阿加瓦爾

是的，這是一個非常非常相關的問題。你知道，在早期，當我們開始制造碳化硅器件時，我們只是將它們封裝在一個典型的硅 IGBT 封裝功率模塊中，它并沒有真正起作用，它只會導致很多振蕩。所以，如果你考慮一個 1200 伏 400 安培半橋模塊，這是主力，因為碳化硅器件開關非常快，我們必須將雜散電感保持在 5 毫微亨以下，這樣對于硅 IGBT 模塊來說這不是問題，你可以有更高的電感。但是對于碳化硅，您需要將它們保持在 5 毫微亨以下。這并不容易。您必須擔心設備和布局的放置并使用大量模擬。第二，您必須擔心雜散電容，因為每個人都使用雙鍵合銅基板，并且有很多電容會導致共模噪聲。第三，我想說我們發現的關鍵問題之一是碳化硅和銅之間的膨脹系數不匹配。這意味著非常大的設備將無法承受溫度循環，它們會直接脫落。所以，在這里必須要有創意，尋找其他材料，這是我們必須解決的問題。然后很明顯，我們需要擔心熱阻，它應該小于每瓦 1 攝氏度。到達那里并不容易。然后我必須提到的另一個問題，我們必須計算，也就是說，如果您查看來自給定供應商的 100 個設備，您會看到閾值電壓在 1 到 2 伏之間變化。如果您只是將這些設備隨機放置在一個電源模塊中，您將在設備之間獲得大量均等的電流共享。這對電源模塊的長期可靠性來說從來都不是好事。所以這意味著您必須正確匹配設備中的閾值電壓，這肯定會增加成本。最后，我可以說我們可以使用高溫灌封材料，而不是硅膠，而是其他可以承受設備高達 200 攝氏度結溫的材料，這絕對是一個優勢。所以，總的來說，我認為我們不需要非常激進地思考，只要仔細的設計就能讓我們達到目標。而且，您知道，最終，我們不能將非常昂貴的鍍金封裝用于電動汽車應用。因此，我們必須找到解決這些問題的簡單方法。您將在設備之間獲得大量均等的電流共享。這對電源模塊的長期可靠性來說從來都不是好事。所以這意味著您必須正確匹配設備中的閾值電壓，這肯定會增加成本。最后，我可以說我們可以使用高溫灌封材料，而不是硅膠，而是其他可以承受設備高達 200 攝氏度結溫的材料，這絕對是一個優勢。所以，總的來說，我認為我們不需要非常激進地思考，只要仔細的設計就能讓我們達到目標。而且，您知道，最終，我們不能將非常昂貴的鍍金封裝用于電動汽車應用。因此，我們必須找到解決這些問題的簡單方法。您將在設備之間獲得大量均等的電流共享。這對電源模塊的長期可靠性來說從來都不是好事。所以這意味著您必須正確匹配設備中的閾值電壓，這肯定會增加成本。最后，我可以說我們可以使用高溫灌封材料，而不是硅膠，而是其他可以承受設備高達 200 攝氏度結溫的材料，這絕對是一個優勢。所以，總的來說，我認為我們不需要非常激進地思考，只要仔細的設計就能讓我們達到目標。而且，您知道，最終，我們不能將非常昂貴的鍍金封裝用于電動汽車應用。因此，我們必須找到解決這些問題的簡單方法。這對電源模塊的長期可靠性來說從來都不是好事。所以這意味著您必須正確匹配設備中的閾值電壓，這肯定會增加成本。最后，我可以說我們可以使用高溫灌封材料，而不是硅膠，而是其他可以承受設備高達 200 攝氏度結溫的材料，這絕對是一個優勢。所以，總的來說，我認為我們不需要非常激進地思考，只要仔細的設計就能讓我們達到目標。而且，您知道，最終，我們不能將非常昂貴的鍍金封裝用于電動汽車應用。因此，我們必須找到解決這些問題的簡單方法。這對電源模塊的長期可靠性來說從來都不是好事。所以這意味著您必須正確匹配設備中的閾值電壓，這肯定會增加成本。最后，我可以說我們可以使用高溫灌封材料，而不是硅膠，而是其他可以承受設備高達 200 攝氏度結溫的材料，這絕對是一個優勢。所以，總的來說，我認為我們不需要非常激進地思考，只要仔細的設計就能讓我們達到目標。而且，您知道，最終，我們不能將非常昂貴的鍍金封裝用于電動汽車應用。因此，我們必須找到解決這些問題的簡單方法。我可以說我們可以使用高溫灌封材料，而不是硅膠，而是其他可以承受高達 200 攝氏度的設備結溫的材料，這絕對是一個優勢。所以，總的來說，我認為我們不需要非常激進地思考，只要仔細的設計就能讓我們達到目標。而且，您知道，最終，我們不能將非常昂貴的鍍金封裝用于電動汽車應用。因此，我們必須找到解決這些問題的簡單方法。我可以說我們可以使用高溫灌封材料，而不是硅膠，而是其他可以承受高達 200 攝氏度的設備結溫的材料，這絕對是一個優勢。所以，總的來說，我認為我們不需要非常激進地思考，只要仔細的設計就能讓我們達到目標。而且，您知道，最終，我們不能將非常昂貴的鍍金封裝用于電動汽車應用。因此，我們必須找到解決這些問題的簡單方法。

-13.29

毛里齊奧·迪·保羅·埃米利奧

好的。這很棒。所以，你提到了閾值電壓。事實上，我想和你談談你寫的下一篇文章，關于“商用 1.2 kV SiC 功率 MOSFET 的閾值電壓不穩定性”。因此，您分析了一些商業設備中這些設備的閾值電壓不穩定性，以確定它們對汽車應用的穩健性，這些應用需要嚴格的可靠性要求。那么，對此有哪些考慮，你知道......你能告訴我更多關于這篇論文，你寫的這篇文章嗎？

-12.27

阿南特·阿加瓦爾

一定一定。所以，您知道，我們早就知道碳化硅中的柵極氧化物在整個薄膜厚度上分布著許多缺陷。發生這種情況是因為我們有碳在氧化過程等過程中試圖逃逸。并且可能存在來自 SiC 表面本身的缺陷。所以，我們所做的，我們在柵極上施加直流電壓，比如 20 伏，400 小時，我們看到 2 到 3 伏，變化超過 100 小時。發生的事情是電子從碳化硅注入柵極氧化物并被捕獲。好消息是......所以，你知道，我們的結果表明這些缺陷是存在的。不同的供應商有不同的缺陷密度，因為他們可能有不同的柵極氧化物生長技術。因此，某些供應商肯定比其他供應商更好。但好消息是，如果你用 20 伏的電壓打開設備然后關閉它，并進行數百萬次這樣的循環，轉換器將看到這些設備的方式，閾值電壓在開啟脈沖期間增加，但在關閉脈沖期間它會降低，因為所有電子回來了。所以我認為這樣做的正確方法是進行數百萬次開關循環，人們還沒有這樣做。而且您知道，在 MOSFET 的整個使用壽命期間，您只會獲得一到兩個變化。但同樣，不同制造商之間存在很大差異。所以，實際上，這沒什么大不了的，它不會影響電源轉換器，但僅僅在氧化物中有缺陷從來都不是一件好事，它只會讓你懷疑。我們已經指出的第二個問題是，你知道由于界面缺陷，反型層遷移率非常低。所以，碳化硅中的反型層遷移率通常為每伏秒 20 平方厘米，硅超過 100，這是一個很大的缺點。為了解決這個問題，我們多年來所做的是將溝道和 2.4 微米縮小，并將柵極氧化層厚度降低到 300 到 400 埃。如果您通常查看硅，溝道長度超過 1 微米，氧化物厚度約為 1000 埃。所以，當你像我們一樣進入短通道時，它會產生非常低的短路耐受時間，只有兩到四微秒，而且不同供應商之間也存在很大差異。而且如果我們從相同的設備中取出設備并且有很多傳播。因此，現在，必須檢測短路故障并在一微秒內關閉 MOSFET 的柵極驅動器承受著巨大的負擔。所以，我認為我們首先需要在不放棄性能的情況下改進短路耐受時間的設備，實際上我應該說我之前提到的我的公司取得了重大突破，我們可以達到 8 到 10 微秒的短路今天的電路耐受時間。我提到的用于碳化硅的苯酚柵極氧化物會導致其自身的一系列問題，首先閾值電壓變得非常低，低至兩伏。因此，由于高 dV/dT，存在意外開啟的危險，這很糟糕。其次，由于您有 300、400 安培的電流，因此在 EV 中，您可能會因轉換器中的寄生電感而導致柵極反彈，這可能會炸毀柵極。所以，我一直建議我們使用 Ticker 柵極氧化物，您通常從以下位置了解溝槽 MOSFET，具有更厚的柵極氧化物，幾乎是平面 D MOSFET 的兩倍，因為它們具有更高的反型層遷移率。因此，總而言之，我應該說柵極氧化層中的缺陷不是主要問題，但我們應該密切關注它。所有這些來自日本的移動性進步，我們應該用它們來加厚柵極氧化物。并且我們應該改進器件設計以提高短路耐受時間。所以這是我認為我們應該擔心的三件事。并且我們應該改進器件設計以提高短路耐受時間。所以這是我認為我們應該擔心的三件事。并且我們應該改進器件設計以提高短路耐受時間。所以這是我認為我們應該擔心的三件事。

-6.41

毛里齊奧·迪·保羅·埃米利奧

是的，這非常非常有趣。所以，我想建議，讓用戶也閱讀我之前提到的你的文章。此外，我在此播客中報告了有關柵極漏電流和閾值電壓的文章。所以 Anant，我們得出結論，只是我的最后一個，關于碳化硅，你的下一個項目是什么？因此，碳化硅和氮化鎵可以為創建下一代智能電網以解決能源問題做出貢獻。在分布式太陽能發電系統中，每個發電機組都能夠執行其主要功能。半導體技術是提供具有競爭力的設計的關鍵要素，您對此有何考慮？

-5.36

阿南特·阿加瓦爾

是的，那是一個非常好的問題，非常貼近我的心。你知道，我一直認為碳化硅可以通過使分布式發電和分布式電網成為可能來對抗全球變暖、脫碳。所以，你知道，分散式電網就是答案，在這里我認為碳化硅將發揮重要作用，因為它具有更高的效率和更高的開關速度。此外，急需的是高壓碳化硅器件，3.3千伏12千伏碳化硅MOSFET，這也是我們公司再次專注于這些高壓器件和電源模塊的原因。所以，您知道，如果您查看 3.3 千伏特硅 IGBT 只能以 1 到 2 千赫茲開關，而碳化硅 MOSFET 將以 15 千赫茲開關并提供 5% 的高效率。但這些資產在電網中的大問題是無人看管。因此，如果您使用壓縮機通過液體冷卻來冷卻硅 IGBT，那么大部分時間泵會停機并需要維護。因此，我認為我們必須考慮在這些無人值守的資產中對高壓碳化硅 MOSFET 進行空氣冷卻。如果我們可以改進電源模塊，我認為 200 攝氏度的結溫將非常有用。您知道，我們正在進行的另一個項目是將高壓橫向 MOSFET 集成在一個芯片中的碳化硅 CMOS。所以，硅智能芯片已經出現，它們無處不在，它們有 100 伏的 MOSFET 和大量的 CMOS 電路，我們可以達到 600 伏。這意味著與硅芯片相比，我們可以在碳化硅芯片上處理六倍的功率。所以，我認為這將打開很多應用程序，碳化硅技術已經足夠成熟來做到這一點。我們正在與奧爾巴尼的 SUNY Poly 和我們公司合作解決這個問題。所以，最后，在尖端工作是非常令人興奮的，看到碳化硅終于成功，我感到非常滿意。經過 25 年的努力，實際上是由世界各地的許多科學家和工程師進行的。我當然從 1993 年就開始參與了。所以，我很享受其中的每一分鐘。來自世界各地的許多科學家和工程師。我當然從 1993 年就開始參與了。所以，我很享受其中的每一分鐘。來自世界各地的許多科學家和工程師。我當然從 1993 年就開始參與了。所以，我很享受其中的每一分鐘。

-2.12

毛里齊奧·迪·保羅·埃米利奧

好，太棒了。非常感謝，阿南特。很高興與您交談。感謝您參加此播客。非常感謝，請繼續關注碳化硅。

-1.57

阿南特·阿加瓦爾

是的，非常感謝。

-1.52

毛里齊奧·迪·保羅·埃米利奧

謝謝阿南特，非常感謝！

因此，就效率而言，在電動汽車中使用碳化硅是有充分理由的，但在能源的其他應用中也是如此。無論如何，我們也有很多挑戰，其中之一就是成本。正如 Anant 所說，特斯拉在成為第一個采用者方面表現出了極大的領導力……所以，這是一件好事！

Anant 表示，到 2023 年，我們將轉向 200 毫米晶圓，因此批量定價可能會降至每安培 6 美分左右。如果您查看普通乘用車的 EV 逆變器，每 400 伏需要大約 2400 安培。這意味著我們應該使用 150 到 200 安培的設備，因為我們不想在一個電源模塊中并聯許多設備，因為這會帶來其他電流問題。Anant 一直認為碳化硅可以通過使分布式發電、分布式電網成為可能來對抗全球變暖脫碳。因此，正如 Anant 所說，去中心化電網就是答案，他認為碳化硅將在很多應用中發揮重要作用，因為它具有更高的效率和更高的開關速度。這將我們帶到了這一集的結尾。請繼續關注有關電力電子的更多新聞和技術方面的信息。。Powerup 由 AspenCore Media 為您帶來，主持人是 Maurizio Di Paolo Emilio，制作人是 James Ede。謝謝大家的收聽，下期再見。敬請關注！

審核編輯 黃昊宇