炭化ケイ素 MOSFET: パワー エレクトロニクスにおいて SiC がケイ素に取って代わる理由

A 炭化 ケイ素 MOSFET はシリコンではなく4h-sicウェーハ上に構築された電力電界効果トランジスタであるため、シリコンmosfetよりもはるかに薄い層にわたって数百から数千ボルトを遮断し、より速くスイッチングし、より高温で動作します その単一の材料スワップが、SiC MOSFETがEVインバータおよび高周波電源においてシリコンIGBTを置き換える理由である DONGHEはダイヤモンドを構築するという珍しい角度からこれに来ています SiC ウエハ 切断 のこ これらのデバイスをウェーハでスライスする機械は製造されているため、最後のセクションでは、購入したチップを元のブールに接続します。.

炭化ケイ素 MOSFET とは何ですか?

炭化ケイ素MOSFET(たんかケイ素モズフェット、)は、金属酸化物半導体電界効果トランジスタであり、従来のシリコンではなく炭化ケイ素 (SiC) を半導体材料として用いるトランジスタであり、SiCは、半導体材料として半導体材料として用いられる ユニポーラ デバイス: 電流は大多数のキャリア (電子) のみを通って流れ、蓄えられた少数電荷テールはないため、クリーンかつ迅速にオフになります。機能的には、他のパワー MOSFET と同様にスイッチが切り替わり、ゲート電圧がドレインからソースへのチャネルを制御しますが、SiC 結晶は同じダイではるかに高い電圧をホールドオフさせます。.

なぜ定義を気にするのでしょうか? SiC MOSFETをドロップインシリコン部品のように扱うことは、電源設計における最も高価な初心者の間違いだからです。使用しないブロッキング電圧と温度ヘッドルームの料金を支払うか、間違ったゲート電圧で駆動してシリコン相当の数倍の価格のデバイスを調理するかのどちらかです。ここではラベルが重要です。.

シリコンMOSFETとは3 つの構造上の事実により分離されています まず基板とドリフト領域は4H-SiCで、純粋なシリコンではなくシリコンと炭素の化合物です 第2 に、SiCははるかに高い電場を許容するため、電圧遮断ドリフト層は所定の定格に対してはるかに薄く、オン抵抗が低くなります 第3 に、ほとんどの高電流SiC MOSFETは、4 番目のピンであるケルビン源を追加して、ゲートドライバーのリターンを電力経路から分離します 上流の画像が必要な場合は、上の当社のプライマーを参照してください シリコンウェハー材 そしてより広い 半導体ウェーハの種類 これらの装置を作るために使用される.

材料: ワイドバンドギャップ SiC がルールを変更する理由

材料物理学をスキップし、その後のあらゆる決定、電圧クラス、ゲートドライブ、冷却が推測に変わります 炭化ケイ素MOSFETがシリコンを上回る性能を発揮するのは、回路ではなく材料です SiCは広帯域ギャップ半導体であり、その際立った特性は、シリコンの約10 倍の臨界破壊場の結果を呼び出します 10×故障フィールドレバー:sicは電界が破壊されるまでに約10倍の電界に耐えるため、定格電圧を遮断するドリフト領域は約10分の1の厚さにすることができ、ドリフト領域が薄くなるとオン状態抵抗と伝導損失が劇的に低下します。同じ遮断電圧で。.

※熱伝導率はソース間で異なって引用されます (一般的に~3.7 W/cm・K、高純度4H-SiCの場合は~4.9 W/cm・Kまで); ポリタイプ、ドーピング、温度ごとに0.3 MV/cmのベースラインシリコン臨界場 バージニア工科大学のワイドバンドギャップ デバイス ノート; SiC の材料特性 SiCパワーエレクトロニクスに関するNIH/NCBIのレビュー.

炭化ケイ素のバンドギャップは?

4h-sic のバンドギャップは約 3.26 eV で、シリコンの約 1.1 eV のほぼ 3 倍です。バンドギャップは電子が伝導に飛び込むために必要なエネルギーであり、ギャップが広いと熱励起されるキャリアがはるかに少なくなるため、高温動作中は漏れ電流が低く保たれます。そのため、炭化ケイ素 MOSFET はシリコン デバイスが故障する電圧を遮断し続けます。.

その大きなギャップは、SiCのボディダイオードが高い順方向電圧降下、つまり下に戻るトレードオフを持っている理由でもあります 重要なのは、SiCがそうしていることです ない 電子移動度で勝利;そのバルク移動度は実際にはシリコンよりも低く、代わりに電界強度、熱伝導率、飽和速度が利点となります。.

SiC MOSFET とシリコン MOSFET: 利益はどこから来るのか

シリコンMOSFETに対して、SiC MOSFETは、高電圧でのオン抵抗の低減、スイッチング損失の低減、サーマルヘッドルームの大幅な拡大、受動部品の小型化という4 つの測定可能な面で勝利を収めることになります SiCインバータが米国エネルギー省によって測定されました 99%効率対同等のシリコンインバータの96%、約3%の省エネ 同じ役割で、それに従って Wide Bandgap Semiconductors for Power Electronics レポート.

その最後の行は、部品購入者が後戻りすることです。 と呼びます デバイスからシステムコストへの反転: SiCダイは、ほとんどの場合、シリコン部品よりもコストがかかりますが、適切な設計では、高電圧、高スイッチング周波数、効率駆動、 システム スイッチングが速くなるとトランス、インダクタ、コンデンサが縮小し、効率が高くなるとヒートシンクが切断されるため、コストが安くなります。これは条件付きであり、自動ではありません。低電圧でコスト重視の 48 V 設計では、反転は現れず、シリコン部品が勝ちます。スローガンではなく、設計上の質問として扱います。.

なぜシリコンよりSiCが優れているのか?

SiC は、その広いバンドギャップと約 10 x の臨界磁場により、より薄いデバイスがより低い抵抗で同じ電圧を遮断し、その高い熱伝導率が熱を奪うため、高電圧、高周波電力スイッチングにはシリコンよりも優れています。これは、シリコンベースの MOSFET では、より低い伝導損失とスイッチング損失、より小さな冷却と磁気、および高温動作が一致しないことを意味します。.

1 つの正直な注意点: 低電圧またはコスト駆動の設計の場合、シリコンは依然として合理的な選択であり、SiC は電圧、周波数、または効率の目標が厳しい場合にのみプレミアムを獲得します。 4H-SiC DMOSFET に関する査読済みの研究では、まさにこの分野と熱の利点が文書化されています。.

SiC MOSFET対GaN対シリコンIGBT

「どの広帯域ギャップデバイスを使用すべきか」に対する正直な答えは、電圧と周波数に依存し、どこでも勝つテクノロジーはないということです。などの米国の国立研究所 サンディアのパワーエレクトロニクスプログラム sicデバイスとganデバイスの両方を並行して開発し、この2 つがライバルではなく相補的であることを示しています。窒化ガリウム (GaN) は低電圧で非常に高い周波数でリードします; 炭化ケイ素MOSFETは中高電圧、高電力帯域を所有します; そしてシリコンIGBTは、スイッチング速度が重要でないコスト重視の高電圧設計でも生き残ります。.

IGBTとSiC MOSFETの違いは何ですか?

IGBT はバイポーラ デバイスであり、SiC MOSFET はユニポーラです。絶縁ゲート バイポーラ トランジスタはマイノリティ キャリアに注入し、高電流では強い伝導を与えますが、ターンオフではエネルギーを浪費し、スイッチング周波数を制限する「テール電流」を残します。炭化ケイ素 MOSFET は電子のみで伝導するため、テール電流がなく、スイッチング速度が数倍速くなります。.

実際には、エンジニアは、より高いスイッチング周波数、より小さな磁性、より優れた効率が必要な場合にシリコン IGBT モジュールを SiC MOSFET に置き換え、スイッチング速度が重要ではなく、初期費用のルールが重要である場合に IGBT を維持します。 GaN に関しては、パワーエレクトロニクスのエンジニアは一般に、選択は「SiC が常に勝つ」わけではないと報告しています。非常に高い周波数で 650 V 未満の場合、GaN がより良いスイッチになる可能性があります。.

チームは、この正確な不一致に数ヶ月を失います。 「ワイドバンドギャップ」がデフォルトの答えになっているため、1200 V SiC MOSFET に到達する急速充電器グループを想像してください。彼らの 400 V バスと 300 kHz の目標は、より速く切り替わり、よりクーラーで動作し、より低コストになる 650 V GaN ステージにぴったりの教科書でした。彼らは間違った理由で適切なファミリーを選択し、特大のヒートシンクでいっぱいのベンチが費用を支払いました。最初にデバイスをバスの電圧と周波数に合わせます。;評判は二番目。.

電圧クラスとアプリケーションへの適合

間違った電圧クラスを選択し、あなたは2 回支払う: 低すぎる選択し、1 つの過渡サージが部品を破壊し、高すぎる選択し、あなたはストランドオン抵抗とお金あなたは決して回復しない SiC MOSFETは離散電圧クラスで販売されており、1 つを選択すると、デバイスではなく、DCバスから開始します 経験則として、ディレート: ブロッキング定格をピックアップ おおよそ1.5 ~ 2 x あなたの名目バス だから過渡は決してデバイスをその限界を超えてプッシュしないように、作業例を取ります: 約50 ~ 60%デバイス使用率にディレーティングされた800 V EVバッテリバス、aに着陸します 1200 Vです SiC MOSFET。一方、400 V バスは 650 V 部分にマッピングされます。 1500 V のソーラーストリングまたはレールリンクを使用すると、1700 V または 3.3 kV に移動します。.

5 クラスの電圧アプリケーション マトリックス

このマトリックスを使用して、バス電圧からデバイス クラスとその付随ダイオードまで、一般的に使用される 5 つの SiC MOSFET 電圧クラスを介して移動します。.

パワーエレクトロニクス チームは、ディレーティングの教訓を熱心に学びます。デバイスごとに数ドルを節約するために、1100 V DC リンク用に 1200 V 部品をスペックするドライブ エンジニアを想像してください。ベンチでは問題なく動作しますが、最初のハード回生イベントは電圧スパイクを放り出し、定格を超えてハーフブリッジの脚全体を取り出し、焦げて喫煙し、警告するデータシートの行はありませんでした。彼らの修正は、新しいデバイスではなく、以下のマトリックスの列でした。.

ここでは 2 つのダイオード ノートが重要です。.

SiC MOSFETは、真性ボディダイオードを持っていますが、その~4 V順方向電圧降下は逆導通でエネルギーを浪費するため、多くの設計では、逆方向回復電荷がほぼゼロである並列SiCショットキーダイオードを追加します また、デバイス定格が高いと、同じ公称電圧のIGBTよりも過渡ヘッドルームが大きくなるため、SiC MOSFETは、すべての実電力システムに存在するサージを許容します これらのクラスの背後にある高電圧DMOSFET構造は、に文書化されています 4h-sic 電力変換デバイス上の IEEE レコード.

炭化ケイ素 MOSFET が使用される場所

SiC MOSFETは、効率、電力密度、または動作温度が圧力を受けている場所であればどこでも表示されます 各アプリケーションは、威信のためではなく、特定の測定可能な理由でSiCを選択し、効率のケースはDOEを含む米国の国立研究所によって文書化されています コスト競争力のある SiC パワーエレクトロニクスに取り組みます.

具体的なケースを考えてみましょう: 800 Vアーキテクチャ用の400 kWトラクションインバータを再構築する自動車チームは、1200 V SiC MOSFETモジュール用の6 つのシリコンIGBTモジュールを交換します。 スイッチングの高速化により、DCリンク容量と冷却ループを縮小でき、~3%効率の向上により実際の走行距離が追加され、インバータは重量を軽減します。 、テスラがモデル3 インバータにSiC MOSFETを採用したときに行ったのと同じ取引です。トラクションインバータを超えて、主な宛先は次のとおりです:

• ✔車載充電器と急速充電効率が向上し、800 V の超高速充電が可能になります。.
• ✔太陽光およびエネルギー貯蔵インバーターLLC およびハーフブリッジ トポロジにおける高周波、高効率の電力変換。.
• ✔産業用モータードライブフィルターが小型化され、補助電力損失が低減され、温度での信頼性が向上します。.
• ✔データセンター / AI 電源ラックあたりの電力密度は、sic パワー デバイスとパワー モジュールへの移行を促進します。.

SiC MOSFET を使用した設計: ゲート ドライブとレイアウトの落とし穴

良い炭化ケイ素MOSFETを台無しにする最速の方法は、シリコン部品のようにそれを駆動することです.これらのデバイスは、カスタマイズされたゲートドライブとクリーンなレイアウトを必要とします; 以下のルールは、設計チェック項目であり、普遍的な定数ではなく、常に特定のデータシートに従います。.

“「ほとんどのシリコンMOSFETは、ゲートとソース間で約8 Vから10 Vの低いVDS飽和を達成しますが、SiC MOSFETは、通常、低いVDS飽和を達成するために15 Vから20 VのVGSを必要とします。」”

イアン プール、エレクトロニクスエンジニア&著者、, エレクトロニクスノート

1 つの古典的なフィールド障害は、これがなぜ重要なのかを示しています: チームはSiCハーフブリッジで0 V / +12 VシリコンIGBTゲートドライバを再利用し、スイッチングノードの高速dv/dtエッジはゲートドレイン容量を結合し、オフステートデバイスをしきい値以上に押し上げ、両方のトランジスタが一度にシュートスルー電流が脚と症状を通ってスパイクするのは、データシートの警告ではなく、ベンチ上の焦げたモジュールです 3 つの間違いが最も頻繁に現れます: 電圧ウィンドウと電流がSiCにとって間違っているIGBTゲートドライバを再利用します; 誤ったターンオンを招く負のバイアスの代わりにゲートを0 Vオフに保持する; ソースインダクタンスを無視するため、鋭いdv/dtがゲートにカップリングするSiCのゲート酸化物も、独立して尊敬に値します ゲート酸化物の劣化と短絡の堅牢性に関する信頼性のレビュー マージンと資格がなぜ重要なのかを示します。.

SiC ブールからデバイス対応ウェーハまで: 財団の最も多くのガイドはスキップします

すべての炭化ケイ素MOSFETは、ウェーハにスライスする必要があるSiCブールとして始まり、それが私たちのショップが住んでいる場所です 10,000 +切断ケースと300 +グローバルクライアントを持つワイヤソーOEMとして、SiC、サファイア、シリコンを切断し、SiCは商業的にスライスされた最も硬い材料の一つであるとダウンストリームデバイスガイドがめったに言及しないのは、ウェーハのスライス時の品質が、その後のすべてのものに上限を設定することです。.

当社独自の切断床では杭はコンクリートです: 150 mm SiC ブールは数千ドルの結晶を表し、合計厚さの変動が大きいワイヤソーから出る場合、顧客は平らで損傷のない表面に到達するためだけにすべてのウェーハをさらに研削し、有料材料をスラリーに変える必要があります。そのため、当社はワイヤの張力、送り速度、ワイヤの摩耗を機械設定だけでなく歩留まりレバーとして扱います。そのチェーン ラン ブール → スライス → グラインド/ポリッシュ → エピタキシー → デバイス製造。マルチワイヤ ダイヤモンドソーがブールを切断すると、カーフ、合計厚さ変動 (TTV)、および表面下損傷層が残ります。高い TTV または深い損傷層により、より多くの研削と研磨が強制され、平らで欠陥のない表面が回収されます。カーフおよび研削ストックとして除去された材料は、支払った炭化ケイ素ですが、金型として出荷されることはありません。に関する作品を発表 単結晶 SiC の固定研磨ダイヤモンド線スライシング スライシングパラメータがどのように表面下の損傷を駆動するかを確認します デバイス側のために、これはスライスがよりきれいであることを意味し、ウェーハあたりのより使用可能なダイ; バイヤーのためにそれは基板品質が実際のコストドライバーであることを意味し、脚注へのガイドの下流ステップに深く入ります ウエハ 薄化, 、そして切断機自体の中へ SiC ウエハ 切断 のこ ページ。同じ物理学がプレーンにも当てはまります 炭化ケイ素, 、 と より 広い に つなぐ 半導体製造プロセス.

業界の見通し: SiC MOSFET の採用を促進するもの

炭化ケイ素MOSFET採用の背後にある決定的な力は、見出しの市場番号ではなく、150 mmから200 mmのSiCウェーハへの移行です。 ウェーハ直径をステップアップすると、おおよそ収率が得られます ウェーハあたり 2.2 倍以上のダイ 幾何学的用語では、これは最終的に主流の自動車用インバーターでシリコンと SiC を競争させる供給側のレバーです。 1 つの修飾子が重要です。その 2.2 x はダイです 潜在的, 、保証されていないコスト削減、実現された節約は、歩留まり、エッジの排除、ウェーハの弓とスライシングによる損傷に依存し、まさにウェーハの処理がキープを獲得する場所です。 wolfspeedの200 ミリメートルsicファブドイツで、自動車サプライヤーzfと構築された、業界がより大きなフォーマットにコミットしている1 つのシグナルです。.

さらに2 つのシフトが見る価値があります: SiC MOSFET、ゲートドライバー、サーマルマネジメントを1 つのパッケージにまとめた統合パワーモジュール、およびワイドバンドギャップ部品に対する自動車認定基準の拡張 コンテキストのみ、市場トラッカーはSiCパワーデバイス市場が2030 年代を通じて力強く成長すると予測していますが、購入者は単一のCAGR数値ではなく、ウェーハの経済性と認定タイムラインに関する上流のカッティングステップを比較してください シリコンウェハ 切断 ワイヤソー 200 mm SiC がスライス精度の基準を引き上げる理由を確認するページ。.

よくある質問frequently Asked Questions