碳化矽(SiC)電晶體本身具備更高效率、功率密度、更精巧的尺寸和更低的系統成本,但一直以來受到技術與元件本身的成本限制,無法廣為市場所接受。但是,隨著製程的優化與溝槽技術的導入,英飛凌(Infineon)認為碳化矽發展已進入轉折點,步入市場正是時候。
Infineon工業電源控制事業處大中華區應用與系統總監馬國偉表示,SiC的未來已經明朗。為了克服碳化矽本身的技術與成本挑戰,該公司鴨子划水SiC技術已有多年,如今已克服可靠性、晶圓尺寸與材料成本等問題,將SiC MOSFET產品推入市場,初步將聚焦於提供電動車充電及太陽能應用。
以技術面來看,馬國偉分析,目前市面上看到的SiC MOSFET大多是平面的構造,其採用的氧化矽與碳化矽兩種材料的阻體不同,將會影響電子流動的速度,使其性能下降。就如同汽車行駛於高速公路上,當路上出現交通事故時,就會影響行車的流暢度。為了改善此問題,就需要在氧化層施加更強的電場,透過提高VGS或降低氧化層厚度導通電子,但此舉會影響穩定性。
為解決平面SiC MOSFET穩定性問題,Infineon採用溝槽式技術的1200V SiC MOSFET。溝槽式設計的晶體結構在不同面,其密度與平面也會不一樣,當面臨同樣的問題下,可以克服材料缺陷,達到設計要求的可靠性。
另一方面,相較於矽(Si)基功率半導體,SiC裝置更為節能,並且由於被動元件的體積縮小,因此提供更高的系統密度。但SiC晶圓價格一直是推動市場的龐大阻力,相比於Si的成本,晶圓的成本價差高達25倍。雖然SiC晶圓的成本價格可透過6英吋的製程降低價格,不過馬國偉認為,看待SiC的使用成本,不能單就Si材料的成本評估,而須以整體系統成本角度來看;目前結合SiC及SiC配合的周邊元件的成本累計,已可於某些應用達到與Si成本相近的效果。
整體而言,SiC MOSFET技術是否成熟?馬國偉談到,SiC MOSFET就像30前的IGBT一樣,技術本身仍在發展當中,未來持續需要經過多年的耕耘與準備,但此時該公司已將相關產品推入市場,也意味著掌握了製程設計。Infineon第一代SiC MOSFET,已達IGBT發展水平的50%階段,目前SiC MOSFET材料依舊存在許多獨特問題,可預計功率半導體的晶片商將陸續推陳出新,透過全新的可靠性認證與生產流程工藝提升SiC MOSFET發展成熟度。