Sukurtų SiC ir GaN EV Power substratų poveikis

Dėl SiC (silicio karbido) ir būsimo GaN (galio nitrido) potencialo elektromobilių galios elektronikoje kyla iššūkių abiem technologijoms. Nors originalios įrangos gamintojai, pirmos pakopos tiekėjai ir rinkos analitikai paprastai sutinka, kad SiC ir GaN galiausiai pasidalins rinka su esamomis Si technologijomis, tikslus planas ir terminas lieka neaiškūs.

Tikimasi, kad „IDTechEx“ padidins bendrą našumą, apimties galimybes ir kainą, tai dar tik ankstyvoje stadijoje sukurtas substratas. „IDTechEx“ ataskaitoje „Elektrinių transporto priemonių galios elektronika 2025–2035 m.: technologijos, rinkos ir prognozės“ įvertinami galimi pranašumai ir iššūkiai naudojant sukonstruotus EV galios elektronikos substratus, įskaitant mastelio keitimą, gamybos apimtis ir našumą.

Substratai tradiciškai yra ploni monokristalinės puslaidininkinės medžiagos diskai, ant kurių auginami įrenginiai, tokie kaip MOSFET ir IGBT. Kadangi puslaidininkio epitaksinis augimas yra pastatytas ant šio pagrindo, idealiu atveju substratas yra tas pats kristalas kaip ir epitaksijos (homoepitaksijos), pvz., Si substratas Si įrenginiams ir kt.

Si substratai yra akivaizdus pasirinkimas Si MOSFET ir IGBT, naudojamų galios elektronikoje automobilių moduliuose, tokiuose kaip integruotas įkroviklis, traukos keitiklis ir nuolatinės srovės keitiklis. Tarp pasaulinių tiekėjų yra SUMCO, Shin-Etsu ir GlobalWafers. Technologija yra brandi, patikima ir ekonomiška.

SiC MOSFET tūrio didinimas naudojant sukonstruotus substratus

SiC plokštelių rinka tik neseniai pradėjo globalizuotis – nuo ​​2023 m. maždaug 75 % SiC plokštelių buvo pagaminta JAV. Tokioms įmonėms kaip Wolfspeed ir STMicroelectronics plečiantis į Europą ir Kiniją, atsirado kitų SiC plokštelių įmonių ir Pereinant nuo 150 mm iki 200 mm pagrindo, rinka taps konkurencingesnė, o tai sumažins išlaidas.

Lygiagrečiai su šiais pokyčiais įmonės kuria inžinerinius substratus SiC energijos įrenginiams. Paprastai šiose naudojamos silicio ant izoliatoriaus (SOI) technologijos ir susideda iš polikristalinio SiC sluoksnio, sujungto su plonu monokristalinio SiC sluoksniu (SiC plokštelė paprastai yra monokristalinis SiC).

Įmonės, naudojančios tam tikrą šios technologijos variantą, yra „Soitec“, kuri anksčiau paskelbė apie bendradarbiavimą su X-FAB ir STMicroelectronics, ir „Sicoxs“ (Sumitomo Metal Mining dukterinė įmonė), kuri šiuo metu parduoda 6 colių inžinerinius SiC substratus ir tikisi masinės gamybos fiskaliniais metais. 2025 m.

Globalėjant SiC substrato rinkai ir didėjant žaidėjų skaičiui, automobilių originalios įrangos gamintojai ieško didelio SiC MOSFET kiekio, kad sukurtų efektyvias jėgos pavaras. Tai gali padidinti transporto priemonės atstumą 7%, palyginti su Si IGBT. Kalbant apie tūrį ir kainą, sukonstruoti substratai turi pranašumų. Dėl jų gamybos apimtys gali būti daug didesnės nei nenaudojant tokio paties kiekio monokristalinio SiC.

Norint sukurti inžinerinius pagrindus, paruošiama mechaniškai polikristalinė kieta SiC plokštelė, kurią reikia atlikti šlifuojant ir poliruojant, kad ji būtų plokščia. Dėl to plonas monokristalinio SiC substrato sluoksnis yra tvirtai prijungtas prie polikristalinės plokštelės. Po apdorojimo, aktyvinimo ir patikrinimo sukurtas substratas yra paruoštas, o likusi monokristalinės plokštelės dalis bus pakartotinai naudojama gaminant daugiau inžinerinių substratų.

Dėl to sumažėja sąnaudos, o SiC substratai užima iki 50 % visos įrenginio kainos ir padidėja tūris, o viena monokristalinė SiC plokštelė dabar pagamina 10–50 substratų. Taip pat buvo įrodyta, kad sukonstruoti substratai turi mažesnį „atsparumą“ pagrindo plote, todėl vienam ploto vienetui susidaro mažiau šilumos, o viename substrate gali susidaryti daugiau lustų.

Nors inžineriniai SiC substratai turi potencialą, vis tiek prireiks poros metų, kol jie bus pradėti gaminti masiškai, ir lieka klausimų dėl pagrindinės jų komercializavimo formos. Pavyzdžiui, įmonės galėtų licencijuoti klijavimo procesą, bendradarbiauti su liejyklomis ar įrenginių įmonėmis, kad gamintų substratus dideliu mastu arba paskolintų reikiamą įrangą.

Projektavimo ciklai ir pristatymo laikas automobilių pramonėje yra žinomi ilgi ir apima keletą metų. Be to, reikalingi aukšti reikalavimai ir išsamūs bandymai, kad šie procesai būtų tinkami gaminant EV įrenginius.

Sukurti substratai, kad GaN būtų gyvybingas traukos keitikliuose

Kadangi SiC jau naudojamas EV galios elektronikoje, masinis sukonstruotų substratų komercializavimas padėtų paspartinti šį vystymąsi. Kelios įmonės, tokios kaip „Vitesco“ ir „VisIC Technologies“, siekia išleisti aukštos įtampos automobilių GaN gaminius, tačiau kliūtys šiek tiek skiriasi.

IDTechEx žino tik vieną įmonę „Odyssey Semiconductor“, kuri gamina masinius GaN substratus GaN įrenginiams. 2024 m. gegužės mėn. jį įsigijo „Power Integrations“, tačiau dar reikia išsiaiškinti, ar GaN substratus galima pagaminti patikimai ir ekonomiškai.

Istoriškai silicio substratai buvo naudojami GaN įrenginiams auginti (heteroepitaksija), o beveik kiekviename rinkoje esančiame įrenginyje naudojami silicio substratai. Kadangi silicio substratai jau yra masinėje silicio pagrindu pagamintų prietaisų gamyboje, jų naudojimas GaN tranzistoriams atrodo niekam tikęs.

Buferiniai sluoksniai valdo deformacijos ir gardelės neatitikimą tarp epitaksinio GaN ir Si substrato, pagerindami tvirtumą. Tačiau GaN vis tiek gali būti auginamas tik plonais sluoksniais ant Si substratų, todėl yra didesnis defektas nei homoepitaksiniai GaN ir ribotos įtampos šoniniai GaN įrenginiai.

Kad GaN būtų naudojamas traukos keitiklyje, įrenginiai turi būti pajėgūs palaikyti aukštą įtampą ir galią ilgą laiką, todėl dabartinės GaN technologijos yra nepakankamos. Alternatyvos yra GaN-on-sapphire ir GaN-on-SiC, kurios gali duoti aukštesnės įtampos įrenginius, tačiau nesuderinamos su CMOS procesais, yra brangios ir turi kitų problemų, susijusių su tvarkymu ir šiluminėmis savybėmis.

Sukurti GaN substratai sušvelnina šias problemas, sukurdami substratą, kuris sumažina grotelių neatitikimą ir suderina šiluminio plėtimosi koeficientą su GaN, kad vertikaliems įrenginiams, viršijantiems 1200 V, būtų sukurti storesni epitaksiniai GaN sluoksniai. Fabless kompanija Qromis su savo QST (Qromis Substrate Technology) laikosi šio požiūrio.

Suderinus pagrindo fizines savybes su GaN, prietaisai turės mažą defektų skaičių ir sumažins lūžimą. Be to, nors dabartiniai GaN įrenginiai auginami ant 150 mm Si substrato, inžineriniai substratai yra keičiamo dydžio, atsparūs ateičiai GaN, kuriuos galima auginti ant 200 mm ir galiausiai 300 mm substratų. Tai laikui bėgant padidins gamybos apimtį ir sumažins vieno įrenginio kainą.

Kadangi GaN substratai šiuo metu yra nepaprastai brangūs, kitas geriausias dalykas yra pagaminti ką nors kuo panašesnio į GaN, o tai ir siekia sukurti substratai. Si substratai yra ekonomiški ir garantuoja didelius kiekius, tačiau sunku patenkinti aukštos įtampos galios elektronikos poreikius naudojant dabartinę technologiją.

Alternatyvūs substratai, tokie kaip SiC ir safyras, turi ir kitų trūkumų. Todėl sukonstruoti substratai gali būti pagrindinė technologija, leidžianti GaN patekti į EV galios elektronikos rinką. Tačiau IDTechEx neturi dabartinių automobilių originalios įrangos gamintojų ar pirmojo lygio tiekėjų pritaikymo planų.

Apibendrinant galima pasakyti, kad sukonstruoti substratai atvers kelią į vertikalius GaN įrenginius ir gali padaryti įrenginius patikimesnius, ekonomiškesnius, keičiamo dydžio ir daug energijos naudojančius. „IDTechEx“ ataskaitoje „Elektrinių transporto priemonių galios elektronika 2025–2035 m.: technologijos, rinkos ir prognozės“ atlieka tolesnę inžinerinių substratų analizę ir lygina jos poveikį su kitais elektromobilių galios elektronikos pokyčiais, pvz., integruota galios elektronika ir 3 lygių keitikliais.