碳化矽功率元件於電動車逆變器應用之後追求更高電壓與更高功率的技術難題
前言：
毫無疑問，碳化矽（一種所謂的第三代寬頻隙半導體）正在發揮其眾所周知的潛力，汽車產業在過去五年中一直是該材料的公開試驗場。基於碳化矽的傳動系統逆變器（將電池側的直流電轉換為馬達側所需的交流電的電源轉換器）比基於矽基 IGBT 的組件更小、更輕且更有效率。
然而，電氣化進程不會以汽車開始，也不會結束於汽車應用。更廣泛的運輸應用可望很快就會出現，包括卡車和公共汽車、海運和航運、火車的進一步電氣化，甚至飛機。在供應方面，併網太陽能係統以及透過高壓直流（HVDC）線路進行的能源傳輸對於低碳能源的生產和分配也至關重要。
這些應用的一個共同主題是更高系統電壓以及更高電壓功率元件的潛在作用。在電動車中，從 400 V 轉變為 800 V 的好處主要是充電速率可能更快。在太陽能逆變器中，從 1,000V 系統持續轉變為 1,500V 系統，減少了光伏組串、逆變器、電纜和直流接線盒的數量，所有這些都提高了效率並節省了成本。在標稱電壓為數百伏特的千兆瓦高壓直流輸電裝置中，較高的單一設備額定值可減少多級堆疊中所需的設備數量，從而減少維護和整體系統尺寸。
碳化矽功率元件有潛力成為這些領域的關鍵推動者。然而，如今，市面上可用的碳化矽功率元件的應用範圍仍舊極其狹窄，從 650 V 到 1,200 V，只有少量 1,700 V 元件可用，而 3,300 V 在技術上看起來完全可以實現，然而，目前只有 GeneSiC提供元件提供此等電壓水平的碳化矽功率元件。
成本觀點：
從技術上來說，SiC MOSFET 技術的工業化量產幾乎沒有什麼可阻止的。3.3 kV 碳化矽功率元件在學術文獻中已經相當成熟，1並且製造高達約 10 kV 的優質碳化矽磊晶層所需的技術已經存在。
然而，正如使用PGC Consultancy 的 SiC 晶片成本模型所建構的模擬那樣，碳化矽功率元件晶片的生產成本在較高電壓的運用環境下會發生變化。首先，所需的電壓越高，支援它的漂移區(drift region)必須越寬(意即所需的碳化矽磊晶厚度需要越厚)，因此磊晶的成本自然就越高。其影響如下圖所示，其中可以看出，對於 60 µm、6.5 kV 的碳化矽功率元件而言，磊晶的成本將會超過碳化矽晶圓，成為最大的製造成本。
雖然類似愛思強(Aixtron)的G5這類型的多晶圓碳化矽磊晶設備的運用，可能會較傳統的單晶圓碳化矽磊晶設備降低碳化矽磊晶成本，但如前所述，由於必須增厚的漂移區以增加電阻所引起的碳化矽磊晶成本問題，則是無可避免的。
電壓等級的每一個提升都需要一個比之前等級更厚且摻雜含量更低的漂移區。當電壓加倍時，電阻將增加約 5.5 倍。2為了抵消這個問題，並保持給定的電流/電阻額定值（上圖中的 100A 晶片），必須按比例增加晶片尺寸。然而，擴大晶片尺寸會對產量產生複合影響，進而影響整體成本，因為每個晶圓生產的晶片數量較少，並且由於晶片尺寸增大所導致的磊晶缺陷，所從而必然抵消的良率比例，因而使最終的良率損失所帶來的額外成本要高出許多，縱使業界經過不斷的努力，最終可以保持較低的缺陷密度（例如上圖中為 0.2 個缺陷/cm 2），依然難以避免此厄運。
這些影響的結果如上圖所示，體現在較高工作電壓之下，不斷上升的磊晶良率損失所帶來的巨幅額外成本，因而導致瘋狂飆升的晶片成本（15 kV 時，晶片成本達到 650 V 晶片的 75 倍）。
若單純從技術來看，碳化矽金屬氧化物半導體廠效電晶體看起來是可高達 6.5 kV、甚至可能高達 10 kV ，都是技術上的可行方案，但與這些碳化矽功率元件相關的驚人成本，則可能會阻礙更高電壓的碳化矽功率元件的商品化實現。
碳化矽功率元件應用於電動車逆變器的良率所影響的成本問題：
碳化矽（SiC）磊晶層的質量，即磊晶層的均勻性與擴展缺陷的密度，對於高功率 4H-SiC 溝槽金屬氧化物半導體場效電晶體 (Trench-MOSFET) 元件至關重要。特別是，碳化矽功率元件的良率，因大晶片面積的必要需求，而受到擴展缺陷對於良率的嚴重影響。傳統上，功率元件必須被良好設計，以儘可能效減少磊晶層之擴展缺陷密度對於良率的影響。 溝槽式僅屬氧化物半導體廠效電晶體(Trench-MOSFET) 等類型的功率元件設計是功率元件產業的一個廣泛解決的方式。
因此，n 型磊晶層生長在大約 1,000 個６吋商用4H碳化矽晶圓上，這些碳化矽晶圓使用了兩個具有最低微管密度的碳化矽晶圓供應商。在磊晶之前，碳化矽晶圓接受化學濕式清洗。接著，對這些碳化矽晶圓以表徵顯微鏡缺陷檢測儀器以及紫外光致發光技術，對晶圓進行了表面缺陷的檢測。隨後，這些晶圓被用於生產超過五十萬個4H-SiC 溝槽金屬氧化物半導體場效電晶體功率元件。所有功率元件均已在晶圓上進行了測試其完整電性性能。
在下圖中，碳化矽功率元件須具備擴展缺陷方屬於本次評估的範圍，因此雖然德國博世公司揭露該公司之某類產品之良率如下圖所示約22%，亦可推估去年某大第三代半導體市場情報集團所言，2023年全頂尖二大碳化矽功率元件大廠的車規碳化矽功率元件平均良率約在11~12%之間，極可能是毫無牴觸的。
上圖中即便排除了非屬於擴展缺陷類別的碳化矽車規功率元件之不良比率，以世界知名大廠德國博世公司而言，該公司的良率也不過22%，相較於台晶電最先進的邏輯芯片製程，無須一年，往往就可以提升其良率到達驚人的九成以上，碳化矽車規功率元件的全球良率成績真的是驚人的低。
上圖中屬於堆疊層錯內含3C結晶結構碳化矽(stacking faults with 3c-SiC inclusion)的缺陷原因所導致的良率最低，堪稱頭號良率殺手；微粒子汙染相關(particle related)的缺陷原因所導致的良率次低，堪稱二級良率殺手；含碳原子(團)與微管瑕疵(micro-pipes defects)等瑕疵則是第三號殺手。更多的碳化矽車規功率元件之良率殺手排名則詳如下圖所示。
