Карбид кремния

Новый материал для силовой электроники
07.09.2021
Виктор Велиадис

С тех пор как автомобильная компания Tesla начала использовать в главном инверторе своих авто силовые транзисторы на основе карбида кремния (SiC), остальные производители электромобилей двинулись в том же направлении. Разработки электронных приборов на карбиде кремния резко ускорились, открывая замечательные перспективы для самых разных отраслей: новые полупроводники востребованы в авиации, космосе и энергетике.

В силовой электронике карбид кремния конкурирует с кремнием и арсенидом галлия. Кремний имеет множество неоспоримых достоинств. Он работает при напряжениях до 600 вольт, надёжен, недорог, прочен и обладает неплохими частотными характеристиками. Арсенид галлия также очень сильный конкурент (если брать латеральную кристаллографическую ориентацию), выдерживающий напряжения в 600-700 вольт. Однако карбид кремния легко обходит обоих соперников по рабочему напряжению - он выдерживает 950 вольт и даже больше.

Транзисторные модули на основе карбида кремния в инверторе Tesla Model 3

В случае электромобильного рынка речь идёт в основном о величинах порядка 650 вольт. Такое напряжение используется в тяговом инверторе, в преобразователях постоянного тока, в бортовом зарядном устройстве и быстрых зарядных станциях. Эти приложения открывают для карбида кремния огромный рынок, стимулируемый переходом на чистую энергию и электрификацией транспорта, которую задумали многие правительства. Так что силовые полупроводниковые приборы на основе карбида кремния ожидает блестящее будущее.

Комплексный подход

За последние четверть века полупроводниковые компании сделали немалые инвестиции в производство силовых приборов на карбиде кремния. Сегодня доступна мелкосерийная продукция, её начали встраивать в аппаратуру, получая реальный прирост эффективности.

Стоимость карбидокремниевых электронных приборов довольно велика, из-за чего многие разработчики не хотят иметь с ними дела. Надёжность приборов уже подтверждена - на эту тему проведено множество исследований, а вот над максимально допустимым временем короткого замыкания ещё нужно поработать, чтобы догнать кремниевые транзисторы. При этом немаловажно организовать обучение инженеров - разработчиков аппаратуры, чтобы они смогли полностью задействовать потенциал приборов из нового полупроводникового материала.

Главные его преимущества - большая ширина запрещённой зоны, высокое напряжение пробоя и отличная теплопроводность - позволяют увеличить рабочую частоту импульсных преобразователей и, как следствие, сократить размеры применяемых пассивных компонентов и устройств. Широкая запрещённая зона транслируется в хорошую устойчивость к высоким температурам (читай: в возможность упростить системы охлаждения). В конечном счёте, используя электронные приборы на основе карбида кремния, вы сможете построить более эффективные преобразователи напряжения.

Цена вопроса

Выход годных SiC-транзисторов пока оставляет желать лучшего, так что стоят они дорого. Много лет главной проблемой с карбидом кремния были микротрубки в структуре монокристалла. На сегодня эти дефекты устранены, как и некоторые другие нарушения кристаллической решётки. Но остаётся одна серьёзная проблема - смещения базальной плоскости, ухудшающие характеристики электронного прибора. Эти смещения можно попробовать корректировать на этапе эпитаксии. В последние два года выяснилось, что базальная плоскость может смещаться при очистке подложки после ионной имплантации. В данный момент инженеры вплотную занимаются этим вопросом. Когда он будет решён, выход годных вырастет и цена транзисторов снизится.

Сейчас электронный прибор на основе карбида кремния обходится в среднем в три раза дороже, чем эквивалентный кремниевый. Причина не только в существенной доле брака. Сам материал очень тугоплавок - слиток нужно выращивать из расплава при температуре свыше 2700 °C, используя крупную заготовку. Перекристаллизация слитка методом зонного расплавления для устранения дефектов невозможна. Отмечу, что сегодня от 55 до 70% стоимости SiC-транзистора составляют производство пластин и эпитаксия. Не удивительно, что конкурировать с дешёвыми кремниевыми приборами, у которых подложки практически не имеют дефектов, ему очень сложно.

В настоящее время несколько научных коллективов пытаются разработать энергоэффективные методы производства бездефектных монокристаллических заготовок из карбида кремния. Кроме того, на цены влияют объём производства и диаметр пластин. При переходе от 150- к 200-миллиметровым пластинам можно резко увеличить число одновременно изготавливаемых транзисторов.

Здесь хороши любые технологические инновации, но важно помнить, что покупка силовых приборов - не самоцель. Вы приобретаете их для того, чтобы встроить в систему, и тот факт, что карбид кремния позволяет существенно повысить рабочую частоту импульсных преобразователей, означает возможность уменьшить размеры катушек индуктивности, конденсаторов и других пассивных компонентов, а следовательно - габариты и массу устройства и в конечном итоге снизить его стоимость. При этом общая экономия может оказаться выше, чем цена полупроводниковых ключей. Нужно учесть также и экономию энергии за весь 20- или 25-летний срок службы системы. Так что хотя производственная технология ещё не доведена до совершенства, полупроводниковые приборы на основе карбида кремния уже занимают сильные конкурентные позиции на рынке.

Где производить

Наладить массовый выпуск новых силовых приборов проще всего на имеющихся кремниевых фабриках, которых немало по всему миру. Часть технологических процессов можно будет оставить как есть, а часть - доработать под новый материал. Например, допускается только сухое травление. Кроме того, сам материал очень твёрдый. Одна из главных проблем - легирование полупроводника. Диффузионное легирование не проходит, возможна только ионная имплантация при очень высоких температурах, иначе придётся применять мощный поток ионов, который может разрушить кристаллическую решётку. А после ионной имплантации потребуется отжиг при 1600-1800 °C. Всё это новые техпроцессы.

Следующий момент - создание контактов. Нанося металл на полупроводник с широкой запрещённой зоной, вы получаете диод Шоттки. Поэтому нужно принять меры против образования p-n-перехода. Ещё одна большая проблема - подзатворный диэлектрик для полевых транзисторов. В целом для дооснащения кремниевой фабрики специфическим оборудованием и адаптации технологии потребуется от 10 до 15 миллионов долларов. К счастью, для силовых электронных компонентов не нужны самые новые технологии - сгодится фабрика, построенная два-три десятилетия назад, со старым технологическим оборудованием. Если всё будет сделано правильно, вы получите от массового производства неплохой эффект.

Как использовать

Просто установить в электронную схему прибор на карбиде кремния вместо кремниевого нельзя - выигрыша не будет. Модули SiC способны работать при высоких напряжениях, так что потребуется хорошая изоляция. Ещё нужно позаботиться об охлаждении. Карбид кремния обладает отличной теплопроводностью, но если вы не задействуете его на полную мощность, то пожертвуете эффективностью. Поэтому необходим хороший теплоотвод, желательно сразу с обеих сторон кристалла. При этом вам потребуются плоские подводящие шины с минимальной индуктивностью, поскольку речь идёт о высоких частотах.

Пилотный инвертор мощностью 250 кВт, позволяющий подключить
солнечную электростанцию к сети 3 кВ без применения
трансформатора (Фото: Fraunhofer ISE.)

В сравнении с авторынком сектор инверторов для домашних солнечных панелей невелик. Тем не менее он тоже играет значительную роль. Но настоящий прорыв ожидается на высоких напряжениях - это такие приложения, как микросети, ветропарки и солнечные электростанции, которые, например, можно подключать напрямик к распределительным сетям 10 кВ.

Силовые полевые SiC-транзисторы уже опробованы в инверторах на 6,5 кВ, на 10 кВ и даже на 15 кВ, созданы модули биполярных транзисторов с изолированным затвором. Они позволят кардинально упростить подключение ВИЭ-генераторов к электрическим сетям.

Об авторе: Виктор Велиадис - директор Института производственных технологий силовой электроники при Департаменте энергетики США.

Источник: powerelectronicsnews.com

Читайте другие наши материалы