В отчете IDTechEx «Силовая электроника для электромобилей 2025-2035: технологии, рынки и прогнозы» оцениваются преимущества и потенциальные проблемы использования специально разработанных подложек для силовой электроники электромобилей, такие как масштабируемость, объемы производства и производительность.

Использование специально разработанных подложек может снизить общую стоимость SiC MOSFET за счет уменьшения количества монокристаллического SiC на устройство, а также увеличить пиковое напряжение GaN HEMT, что обеспечит преимущества при использовании в электромобильной тяге. Кроме того, широкая доступность увеличит объемы производства и сократит сроки поставки, поскольку эпитаксиальный рост происходит медленно, а специально разработанные подложки могут производиться серийно. Для GaN новые вертикальные устройства будут обладать более высокой удельной мощностью, а для SiC площадь кристалла уменьшится, что также повысит удельную мощность. Следует отметить, что это общий обзор возможных сценариев развития событий, основанный на анализе IDTechEx. Источник: IDTechEx

Традиционно в качестве подложек используются тонкие диски из монокристаллического полупроводникового материала, на которых выращиваются такие устройства, как MOSFET и IGBT. Поскольку эпитаксиальный рост полупроводника основан на этом фундаменте, в идеале подложка должна быть из того же кристалла, что и эпитаксия (гомоэпитаксия) – например, кремниевая подложка для кремниевых устройств и так далее. Для кремниевых MOSFET и IGBT, используемых в силовой электронике автомобильных модулей, таких как бортовые зарядные устройства, тяговые инверторы и DC-DC преобразователи, кремниевые подложки являются очевидным выбором. К числу глобальных поставщиков относятся SUMCO, Shin-Etsu и GlobalWafers, и в итоге это зрелая, надежная и экономически эффективная технология.

Увеличение объемов SiC MOSFET с использованием специально разработанных подложек

Рынок кремниево-карбидных пластин в последнее время начал глобализироваться, и начиная с 2023 года примерно 75% кремниево-карбидных пластин будет производиться в США. Благодаря расширению присутствия таких компаний, как Wolfspeed и STMicroelectronics в Европе и Китае, появлению других компаний, занимающихся производством кремниево-карбидных пластин, и переходу от 150-мм к 200-мм подложкам, ожидается, что рынок станет более конкурентным, что приведет к снижению затрат.

Наряду с этими достижениями, компании создают специальные подложки для силовых устройств на основе карбида кремния (SiC). Как правило, в них используются технологии «кремний на изоляторе» (SOI), и они представляют собой слой поликристаллического SiC, соединенный с тонким слоем монокристаллического SiC (пластина SiC обычно полностью состоит из монокристаллического SiC). Среди компаний, использующих тот или иной вариант этой технологии, можно назвать Soitec, которая уже объявила о сотрудничестве с X-FAB и STMicroelectronics, и Sicoxs (дочерняя компания Sumitomo Metal Mining), которая в настоящее время продает 6-дюймовые специальные подложки из SiC и планирует начать массовое производство к 2025 финансовому году.

В условиях глобализации рынка подложек из карбида кремния (SiC) и роста числа игроков, производители оригинального автомобильного оборудования (OEM) стремятся к большим объемам производства SiC MOSFET-транзисторов для создания эффективных силовых агрегатов, которые могут увеличить запас хода автомобиля до 7% по сравнению с Si IGBT-транзисторами. С точки зрения объема и стоимости, специально разработанные подложки предлагают преимущества и могут привести к объемам производства на порядок больше, чем без использования таких подложек, при использовании того же количества монокристаллического SiC. Для создания специально разработанных подложек подготавливается механически прочная поликристаллическая SiC-пластина, при этом выполняются этапы шлифовки и полировки для получения плоской поверхности. Затем к этой поликристаллической пластине прочно приклеивается очень тонкий слой монокристаллической SiC-подложки. После обработки, активации и проверки специально разработанная подложка готова, а оставшаяся монокристаллическая пластина используется повторно для производства новых специально разработанных подложек.

В результате снижается стоимость, поскольку на подложки из карбида кремния приходится до 50% от общей стоимости устройства, и увеличивается объем производства, так как из одной монокристаллической кремниевой пластины теперь можно изготовить от 10 до 50 подложек. Также было показано, что специально разработанные подложки имеют более низкое «сопротивление соединения» по всей поверхности подложки, что приводит к меньшему выделению тепла на единицу площади и возможности производства большего количества чипов на одной подложке.

Хотя разработанные с учетом требований SiC подложки обладают потенциалом, до их массового производства еще несколько лет, и остаются вопросы относительно основной стратегии коммерциализации. Например, компании могли бы лицензировать процесс склеивания, сотрудничать с литейными предприятиями или производителями устройств для крупномасштабного производства подложек или предоставлять необходимое оборудование. Циклы проектирования и сроки выполнения заказов в автомобильной промышленности, как известно, очень длительны и составляют несколько лет. Кроме того, для того чтобы эти процессы подходили для производства устройств для электромобилей, необходимы очень строгие требования и обширные испытания.

Разработаны подложки, позволяющие использовать GaN в тяговых инверторах
: поскольку SiC уже используется в силовой электронике электромобилей, массовая коммерциализация специально разработанных подложек способствовала бы ускорению этого развития. В случае с GaN несколько компаний, таких как Vitesco и VisIC Technologies, хотят выпустить высоковольтные GaN-продукты для автомобильной промышленности, но препятствия несколько иные. IDTechEx известно только об одной компании, Odyssey Semiconductor, которая производит объемные GaN-подложки для GaN-устройств. В мае 2024 года она была приобретена компанией Power Integrations, но еще предстоит выяснить, можно ли надежно и экономически эффективно производить GaN-подложки.

Исторически сложилось так, что для выращивания GaN-устройств (гетероэпитаксии) использовались кремниевые подложки, и почти все устройства на рынке используют кремниевые подложки. Поскольку кремниевые подложки уже производятся серийно для устройств на основе кремния, их использование для GaN-транзисторов кажется очевидным. Буферные слои контролируют искажения и несоответствие кристаллической решетки между эпитаксиальным GaN и кремниевой подложкой, повышая надежность. Однако GaN можно выращивать только в тонких слоях на кремниевых подложках, что приводит к большей дефектности, чем в гомоэпитаксиальных GaN и GaN-устройствах с ограниченным напряжением.

Для использования GaN в тяговых инверторах устройства должны быть способны поддерживать высокие напряжения и уровни мощности в течение длительного времени, чего не хватает современным технологиям GaN. Альтернативами являются GaN на сапфире и GaN на SiC, которые позволяют создавать устройства с более высоким напряжением, но несовместимы с CMOS-процессами, дороги и создают другие проблемы, связанные с обработкой и тепловыми характеристиками. Специально разработанные подложки из GaN решают эти проблемы, создавая подложку, которая минимизирует несоответствие сетки и выравнивает коэффициент теплового расширения с коэффициентом GaN, что позволяет создавать более толстые эпитаксиальные слои GaN для вертикальных устройств, работающих при напряжении более 1200 В. Именно такой подход использует компания Qromis, работающая без заводского производства, со своей технологией QST (Qromis Substrate Technology). Благодаря адаптации физических свойств подложки к GaN, устройства будут иметь низкий уровень дефектов и минимизировать поломки. Кроме того, в то время как современные GaN-устройства выращиваются на кремниевых подложках диаметром 150 мм, разработанные подложки масштабируемы, что позволяет выращивать GaN на подложках диаметром 200 мм и, в конечном итоге, на подложках диаметром 300 мм. Со временем это увеличит объемы производства и снизит стоимость одного устройства.

Учитывая, что подложки из нитрида галлия (GaN) в настоящее время непомерно дороги, наилучшим подходом является производство чего-то максимально похожего на GaN, что и является целью разработки специализированных подложек. Кремниевые подложки экономически выгодны, если гарантированы большие объемы производства, но они с трудом удовлетворяют требованиям высоковольтной силовой электроники при существующих технологиях. Альтернативные подложки, такие как карбид кремния (SiC) и сапфир, имеют другие недостатки, поэтому специализированные подложки могут стать ключевой технологией для выхода GaN на рынок силовой электроники электромобилей. Однако IDTechEx не располагает информацией о каких-либо планах внедрения этой технологии производителями оригинального автомобильного оборудования или поставщиками первого уровня.

Автор: Джон Ли, технологический аналитик компании IDTechEx