碳化矽(SiC),這種寬能隙的半導體元件可用於打造更優質的電晶體,取代當今的矽功率電晶體,並與二極體共同搭配,提供最低溫度、最高頻率的功率元件。SiC電晶體所產生的熱也比矽功率電晶體更低30%,然而,它的成本至今仍然比矽更高5倍。

美國北卡羅萊納州立大學(North Carolina State University;NCSU)教授Jay Baliga認為,這是因為SiC需要專用的製程技術,而使得價格居高不下,並築起較高的進入門檻。為了尋找低成本授權的製程以降低這些障礙,Baliga及其研究團隊設計了一種「製造SiC電子元件之工程製程」(Process Engineered for Manufacturing SiC Electronic-devices;PRESiCE),並採用德州儀器(Texas Instruments;TI)的X-Fab來實現。

研究人員們將在日前於美國華府舉行的2017年碳化矽及相關材料國際會議(International Conference on Silicon Carbide and Related Materials;ICSCRM 2017)發表技術細節。

20170926_SiC_NT02P1 PRESiCE製程可用於降低SiC功率元件的生產成本 (來源:North Carolina State University)

根據Baliga,PRESTICE並不只是一種開發SiC製程的低成本替代方法,它也比傳統的專有製程更有效率。降低授權成本將有助於讓更多的業者加入市場競爭,從而提高SiC的產量。反過來說,這也不可避免地會降低SiC的價格,或許還會降低到只比矽的價格多50%。

SiC功率元件除了可作業於較低的溫度下,也可以在更高的頻率下切換,從而讓功率電子產品得以使用較小的電容、電感和其他被動元件,最終使得設計人員能在更小的空間中封裝更多元件,而仍使其保持輕量纖薄。Baliga說,PRESiCE製程能實現較高產量,並嚴格控制產出SiC元件的特性。

20170926_SiC_NT02P2 Jay Baliga

為了證明這一概念,研究人員在TI X-Fab中使用PRESiCE,製造出SiC功率MOSFET、ACCUFET與接面阻障蕭特基(JBS)整流器,以打造1.2kV的電源。功率MOSFET結構的JBS返馳式整流器可打造功率JBSFET,使其得以較矽基設計的晶片面積更縮小40%,封裝數也減半。

美國能源部(DoE)旗下PowerAmerica研究所為這項研究提供資金。除了Jay Baliga他研究人員還包括北卡羅萊納州立大學的K. Han、J. Harmon、A. Tucker與S. Syed,以及紐約州立大學理工學院(SUNY)的W. Sung。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Power SiC for Everyone,by R. Colin Johnson)