SiC（炭化ケイ素）パワー半導体は、シリコン系パワー半導体と比較して、スイッチング周波数、損失、放熱性、小型化などの点で大きな利点を持っています。
テスラによる炭化ケイ素インバーターの大規模生産に伴い、より多くの企業が炭化ケイ素製品を導入し始めています。
SiCってこんなに「すごい」のですが、いったいどうやって作られたのでしょうか？今のアプリケーションは何ですか?見てみましょう！
01☆SiCの誕生
他のパワー半導体と同様に、SiC-MOSFET 産業チェーンには以下が含まれます。長い結晶 - 基板 - エピタキシー - 設計 - 製造 - パッケージングのリンク。
長い結晶
長い結晶リンクの間、単結晶シリコンで使用されるティラ法の調製とは異なり、炭化ケイ素は主に物理ガス輸送法（PVT、改良型Llyまたは種結晶昇華法としても知られています）、高温化学ガス堆積法（HTCVD）を採用しています。 ）サプリメント。
☆コアステップ
1. 炭酸固体原料;
2. 加熱後、炭化物固体は気体になります。
3. ガスが種結晶の表面に移動します。
4. 種結晶の表面でガスが成長して結晶になります。
画像出典：「PVT成長炭化ケイ素の分解技術のポイント」
職人技の違いにより、シリコンベースと比較して 2 つの大きな欠点が生じています。
まず、生産が難しく、収量が低い。炭素系気相の温度は2300℃以上に上昇し、圧力は350MPaになります。全体を暗箱にしており、不純物が混入しやすい。歩留まりはシリコンベースよりも低い。直径が大きくなると、歩留まりが低くなります。
2つ目は成長が遅いことです。PVT法のガバナンスは非常に遅く、速度は約0.3〜0.5mm/hで、7日間で2cm伸びる可能性があります。最大でも3～5cmまでしか成長できず、結晶インゴットの直径は4インチや6インチがほとんどです。
シリコンベースの 72H は高さ 2 ～ 3 メートルまで成長でき、直径は主に 6 インチ、8 インチは 12 インチの新たな生産能力を備えています。したがって、炭化ケイ素は結晶インゴットと呼ばれることが多く、シリコンは結晶棒になります。
超硬シリコン結晶インゴット
基板
長い結晶が完成したら、基板の製造工程に入ります。
目標の切断、研削（粗研削、微研削）、研磨（機械研磨）、超精密研磨（化学機械研磨）を経て、炭化珪素基板が得られる。
基板は主に再生されます物理的サポート、熱伝導率、伝導率の役割。加工の難しさは、炭化ケイ素材料が高く、カリカリで、化学的性質が安定していることです。したがって、従来のシリコンベースの処理方法は炭化ケイ素基板には適していません。
切削効果の良否は炭化珪素製品の性能や利用効率（コスト）に直結するため、薄く均一な厚さ、低切削性が求められます。
現在のところ、4インチと6インチは主にマルチライン切断装置を使用し、シリコン結晶を厚さ1mm以下の薄いスライスに切断します。
多線切断模式図
将来的には、炭化シリコンウェーハのサイズが大きくなるにつれて、材料利用の要件が増加し、レーザースライスや冷間分離などの技術も徐々に適用されるでしょう。
2018年、インフィニオンは、冷間分解として知られる革新的なプロセスを開発したSiltectra GmbHを買収しました。
従来のマルチワイヤ切断加工に比べ、工程ロスが1/4、冷間分解プロセスでは、炭化ケイ素材料の 1/8 しか失われませんでした。
拡大
炭化ケイ素材料では基板上にパワーデバイスを直接作ることができないため、エクステンション層上にさまざまなデバイスが必要となります。
したがって、基板の製造が完了した後、エクステンション工程を経て基板上に特定の単結晶薄膜を成長させる。
現在、化学ガス堆積法（CVD）プロセスが主に使用されています。
デザイン
基板が完成したら、製品の設計段階に入ります。
MOSFETの場合、設計プロセスの焦点は溝の設計です。一方で、特許侵害を避けるため(インフィニオン、ローム、ST などは特許レイアウトを持っています)、また一方では製造性と製造コストを満たします。
ウェーハ製造
製品設計が完了するとウエハの製造段階に入り、プロセスはシリコンとほぼ同様で、主に以下の5つのステップからなります。
☆ステップ1：マスクを注入する
酸化シリコン（SiO2）膜を形成し、フォトレジストを塗布し、均質化、露光、現像等の工程を経てフォトレジストパターンを形成し、エッチングにより酸化膜に図形を転写します。
☆ステップ2：イオン注入
マスクされた炭化ケイ素ウェハはイオン注入装置内に配置され、そこでアルミニウムイオンが注入されてＰ型ドーピングゾーンを形成し、注入されたアルミニウムイオンを活性化するためにアニールされる。
酸化膜を除去し、Ｐ型ドーピング領域の特定領域に窒素イオンを注入してドレインおよびソースのＮ型導電領域を形成し、注入された窒素イオンをアニールして活性化する。
☆ステップ3：グリッドを作る
グリッドを作ります。ソースとドレインの間の領域では、ゲート酸化層が高温酸化プロセスによって準備され、ゲート電極層が堆積されてゲート制御構造が形成されます。
☆ステップ4：パッシベーション層の作成
パッシベーション層を作ります。電極間の絶縁破壊を防ぐために、優れた絶縁特性を持つパッシベーション層を堆積します。
☆ステップ5：ドレイン・ソース電極を作る
ドレインとソースを作ります。パッシベーション層に穴を開け、金属をスパッタリングしてドレインとソースを形成します。
写真出典：新西首都圏
プロセスレベルはシリコンベースとほとんど変わりませんが、炭化ケイ素素材の特性上、イオン注入とアニールは高温環境で実行する必要がある（最大1600℃）、高温は材料自体の格子構造に影響を与え、その困難さは歩留まりにも影響します。
さらに、MOSFET コンポーネントの場合、ゲート酸素の品質は、チャネル移動度とゲートの信頼性に直接影響します。炭化ケイ素材料には 2 種類のケイ素原子と炭素原子が存在するためです。
そのため、特殊なゲート媒体の成長方法が必要となります（もう一つのポイントは、炭化珪素シートが透明であり、シリコンはフォトリソグラフィー段階での位置合わせが難しいことです）。
ウェハ製造完了後、個々のチップをベアチップに切断し、目的に応じてパッケージングすることができます。ディスクリート デバイスの一般的なプロセスは TO パッケージです。
TO-247 パッケージの 650V CoolSiC™ MOSFET
写真：インフィニオン
自動車分野には高い電力と熱放散の要件があり、ブリッジ回路 (ハーフブリッジまたはフルブリッジ、またはダイオードで直接パッケージ化) を直接構築する必要がある場合があります。
したがって、多くの場合、モジュールまたはシステムに直接パッケージ化されます。単一モジュールにパッケージされるチップの数に応じて、一般的な形式は 1 in 1 (BorgWarner)、6 in 1 (Infineon) などであり、一部の企業は単管並列方式を採用しています。
ボルグワーナー バイパー
両面水冷、SiC-MOSFETに対応
インフィニオン CoolSiC™ MOSFET モジュール
シリコンと違って、炭化ケイ素モジュールは、約 200 °C の高温で動作します。
従来の軟はんだ温度は融点温度が低く、温度要件を満たすことができません。したがって、炭化ケイ素モジュールには低温銀焼結溶接プロセスが使用されることがよくあります。
モジュールが完成したら、部品システムに適用できます。
Tesla Model3 モーター コントローラー
ベアチップはST製で、自社開発のパッケージと電気駆動システムを採用しています。
☆02 SiCの応用状況は？
自動車分野では主にパワーデバイスが使用されています。DCDC、OBC、モーターインバーター、電動エアコンインバーター、ワイヤレス充電他部品AC/DC 高速変換を必要とするもの (DCDC は主に高速スイッチとして機能します)。
写真: ボルグワーナー
シリコンベースの材料と比較して、SIC 材料は高い臨界雪崩降伏電界強度(3×106V/cm)、より良い熱伝導率(49W/mK)および広いバンドギャップ(3.26eV)。
バンドギャップが広いほど、漏れ電流が小さくなり、効率が高くなります。熱伝導率が良いほど、電流密度は高くなります。臨界アバランシェ降伏電界が強ければ強いほど、デバイスの耐電圧を向上させることができます。
したがって、オンボード高電圧の分野では、既存のシリコンベースの IGBT と FRD の組み合わせを置き換えるために炭化ケイ素材料で製造された MOSFET と SBD は、電力と効率を効果的に向上させることができます。特に高周波アプリケーションのシナリオでは、スイッチング損失を低減します。
現時点では、モータ インバータで大規模アプリケーションが実現される可能性が最も高く、次に OBC と DCDC が続きます。
800V 電圧プラットフォーム
800V 電圧プラットフォームでは、高周波の利点により、企業は SiC-MOSFET ソリューションを選択する傾向が強くなっています。そのため、現在の800V電子制御はSiC-MOSFETを予定しているものがほとんどです。
プラットフォームレベルの計画には以下が含まれます最新の E-GMP、GM Otenergy – ピックアップ フィールド、ポルシェ PPE、およびテスラ EPA。SiC-MOSFET を明示的に搭載していないポルシェ PPE プラットフォーム モデル (最初のモデルはシリカベースの IGBT) を除き、他の車両プラットフォームは SiC-MOSFET 方式を採用しています。
ユニバーサルウルトラエネルギープラットフォーム
800Vモデルの企画はさらに、万里の長城サロンブランド Jiagirong、Beiqi Pole Fox S HI バージョン、理想的な車 S01 および W01、Xiaopeng G9、BMW NK1、長安AVITA E11は800Vプラットフォームを搭載すると述べ、BYD、Lantu、GAC 'an、Mercedes-Benz、zero Run、FAW Red Flagに加えて、Volkswagenも800V技術を研究中であると述べた。
Tier1サプライヤーの800V受注状況から、ボルグワーナー、ワイパイ テクノロジー、ZF、ユナイテッド エレクトロニクス、恵川すべてが800V電気駆動装置の注文を発表しました。
400V 電圧プラットフォーム
400V 電圧プラットフォームでは、SiC-MOSFET は主に高電力、電力密度、高効率を考慮しています。
現在量産されている Tesla Model 3\Y モーターのように、BYD Hanhou モーターのピーク出力は約 200Kw (Tesla 202Kw、194Kw、220Kw、BYD 180Kw)、NIO も ET7 から始まる SiC-MOSFET 製品を使用する予定ですそして後でリストされるET5。ピーク電力は240Kw（ET5 210Kw）です。
また、高効率の観点から、補助フラッディング型SiC-MOSFET製品の実現可能性を模索している企業もある。
投稿時間: 2023 年 7 月 8 日