パワー半導体が SiC 時代の到来を告げる (パート 2)

炭化ケイ素 (SiC) モジュールは、電気自動車のパワートレイン システムの効率を向上させるために重要であると考えられています。シリコンベースのデバイスからシリコンカーバイドデバイスへの大幅な移行は、電気自動車のサイズ、重量、そして最も重要なコストを削減しながら、電力システムの電力密度の向上に大きく貢献します。これは、シリコンベースのパワー半導体はまだ最適化されているものの、伝導損失とスイッチング損失の点で動作限界に達しているためです。炭化ケイ素はバンドギャップが広いため (シリコンの 3.26eV と比較して 1.12eV)、このような損失を低減し、優れた高温および高周波性能を実現します。

多くの SiC チップ メーカーはすでに 150 mm シリコン生産ラインを SiC 製造に転換しています。 Veliadis 氏は、「これまでのところ非常に成功しているアプローチは、成熟した完全に減価償却されたシリコン工場で炭化ケイ素を処理することであり、資本投資は約 30 万ドルであり、莫大な利益をもたらしています。」と述べています。コストはパワーモジュールにとって特に重要です。 「炭化シリコンを使用すると、半導体チップのコストは約 XNUMX 倍かかりますが、システム全体のコストは最終的にシリコン パワー モジュールよりも低くなります。これは直感に反します。しかし、答えは簡単です。効率的に動作する能力です。」高周波では磁性部品と受動部品の体積が大幅に減少し、チップ製造コストの上昇を相殺します。」

しかし、この業界には30万ドルかけて改修できる古い工場は残っていない。新しい炭化ケイ素ウェーハ工場が急速に建設中です。一方、非ウェーハ企業は生産能力をめぐって競争している。

「自動車市場と再生可能エネルギー市場という、相互に競合する19つの市場があり、どちらも容量を求めています」と、ボッシュのパワーセミコンダクター＆モジュール担当シニアバイスプレジデント、ラルフ・ボルネフェルト氏は述べています。「COVID-1,200パンデミックから、競合市場が別の市場を締め出す可能性があることを学びました。そのため、この点を考慮する必要があります。」ボッシュは現在、ブレークダウン電圧XNUMXVの第XNUMX世代SiC MOSFETモジュールを生産しています。

SiCデバイスは、過酷な環境下でも高温で動作し、高い電力密度を実現できるため、特に自動車に適しています。SiCパワーデバイスは、極めて低いスイッチ損失と、動作時のソース・ドレイン間抵抗（RDSon）を極めて低く抑えています。RDSonの低さは、MOSFETの電力損失の低減と相関しています。

デバイスの機能は SiC 材料から始まります。 「結晶の品質は、過去 20 年間、すべてのプレーヤーが取り組んできた重要な要素ですが、結晶には依然として基底面転位や積層欠陥などがあり、20 個、30 個、そして 40 個の結晶を製造するには設計が必要です。 XNUMX 平方ミリメートルのデバイスです」と SOITEC イノベーション担当上級副社長の Christophe Maleville 氏は述べています。 「XNUMX 年前に炭化ケイ素の分野に参入したとき、最初に気づいたのは、インゴットごと、およびウェーハごとにばらつきがあり、エンジニアは通常、それを調整してエピタキシーを検証する必要があるということでした。まだ痩せていないよ。」

電気的な側面では、パワー デバイスは寄生インダクタンス、スパーク、その他の課題の影響を受けやすい可能性があります。シュリンクが不足しているアナログミックスシグナル工場とは異なり、パラメータが主な焦点であり、電力エンジニアは変動に対処する必要があります。

DR YieldのCEO、ディーター・ラセイ氏は「以前は（アナログには）シュリンク機能がなかった。しかし今では欠陥に対する成熟したプロセスがある」と述べた。 「炭化ケイ素、窒化ガリウム、ヒ化ガリウムなどの化合物半導体が主流になり、成長速度が速くなるにつれて、パラメトリックな歩留まりの問題は改善されるでしょう。」