近年來，SiC功率器件的出現(xiàn)大大提升了半導(dǎo)體器件的性能，這對電力電子行業(yè)的發(fā)展意義重大。據(jù)Yole預(yù)測，到2023年SiC功率器件市場規(guī)模預(yù)計將達14億美元，其主要的市場增長機會在汽車領(lǐng)域，特別是EV、混合動力車和燃料電池車等電動車應(yīng)用市場。
與Si器件相比，SiC功率器件可以有效實現(xiàn)電力電子系統(tǒng)的高效率、小型化和輕量化。據(jù)了解，SiC功率器件的能量損耗只有Si器件的50%，發(fā)熱量只有Si器件的50%，且有更高的電流密度。在相同功率等級下，SiC功率模塊的體積顯著小于Si功率模塊,以智能功率模塊IPM為例，利用SiC功率器件，其模塊體積可縮小至Si功率模塊的1/3～2/3。
目前越來越多的廠商對碳化硅(SiC)器件加大投入，國外知名廠商有ROHM、Bombardier、Cree、SDK、STMicroelectronics、InfineonTechnologies、Littelfuse、Ascatron等，國內(nèi)也有不少廠商陸續(xù)推出SiC功率器件產(chǎn)品，如泰科天潤、基本半導(dǎo)體、上海瞻芯電子、楊杰科技、芯光潤澤、瑞能半導(dǎo)體等。
SiC功率半導(dǎo)體器件技術(shù)發(fā)展近況
1、SiC功率二極管
SiC功率二極管有3種類型：肖特基二極管（SBD），PIN二極管和結(jié)勢壘控制肖特基二極管（JBS）。由于存在肖特基勢壘，SBD具有較低的結(jié)勢壘高度。因此，SBD具有低正向電壓的優(yōu)勢。SiCSBD的出現(xiàn)將SBD的應(yīng)用范圍從250V提高到1200V。同時，其高溫特性好，從室溫到由管殼限定的175℃，反向漏電流幾乎沒有增加。在3kV以上的整流器應(yīng)用領(lǐng)域，SiCPiN和SiCJBS二極管由于比Si整流器具有更高的擊穿電壓、更快的開關(guān)速度以及更小的體積和更輕的重量而備受關(guān)注。
2、SiC MOSFET器件
Si功率MOSFET器件具有理想的柵極電阻、高速的開關(guān)性能、低導(dǎo)通電阻和高穩(wěn)定性。在300V以下的功率器件領(lǐng)域，是首選的器件。有報道稱，已成功研制出阻斷電壓10kV的SiCMOSFET。研究人員認為，SiC MOSFET在3kV～5kV領(lǐng)域?qū)⒄紦?jù)優(yōu)勢地位。盡管遇到了不少困難，具有較大的電壓電流能力的SiCMOSFET的研發(fā)還是取得了顯著進展。
另外，有報道介紹，SiC MOSFET柵氧層的可靠性已得到明顯提高。在350℃條件下有良好的可靠性。這些研究結(jié)果表明柵氧層將有希望不再是SiCMOSFET的一個顯著的問題。
3、碳化硅絕緣柵雙極晶體管（SiC BJT、SiC IGBT）和碳化硅晶閘管（SiC Thyristor）
之前報道了阻斷電壓12kV的碳化硅P型IGBT器件，并具有良好的正向電流能力。SiC IGBT器件的導(dǎo)通電阻可以與單極的碳化硅功率器件相比。與Si雙極型晶體管相比，SiC雙極型晶體管具有低20～50倍的開關(guān)損耗以及更低的導(dǎo)通壓降。SiCBJT主要分為外延發(fā)射極和離子注入發(fā)射極BJT，典型的電流增益在10-50之間。
關(guān)于碳化硅晶閘管，有報道介紹了1平方厘米的晶閘管芯片，阻斷電壓5kV，在室溫下電流100A（電壓4.1V），開啟和關(guān)斷時間在幾十到幾百納秒。
國內(nèi)廠商SiC功率器件發(fā)展現(xiàn)狀
1、泰科天潤
泰科天潤成立于2011年，是一家致力于碳化硅（SiC）功率器件研發(fā)和生產(chǎn)的企業(yè)。總部位于北京中關(guān)村，在北京擁有一座完整的半導(dǎo)體工藝晶圓廠，可在4英寸SiC晶圓上實現(xiàn)半導(dǎo)體功率器件的制造工藝。產(chǎn)品線涉及基礎(chǔ)核心技術(shù)產(chǎn)品、碳化硅成型產(chǎn)品以及多套行業(yè)解決方案，基礎(chǔ)核心產(chǎn)品以碳化硅肖特基二極管為代表。
早在2015年，泰科天潤就宣布推出了一款3300V/50A高功率碳化硅肖特基二極管產(chǎn)品。據(jù)報道，該產(chǎn)品具有低正向電壓降、快開關(guān)速度、卓越的導(dǎo)熱性能等特性，適用于軌道交通、智能電網(wǎng)等高端領(lǐng)域。
據(jù)介紹，3300V/50A高功率碳化硅肖特基二極管工作時的正向壓降的典型值為2.22V（IF=50A,Tj=25℃）、4.75V（IF=50A,Tj=175℃）；反向漏電流的典型值為120uA（VR=3300V,Tj=25℃）、200uA（VR=3300V,Tj=175℃）；在惡劣的電氣環(huán)境下最大限度地提高可靠性；可在-55℃到175℃溫度范圍內(nèi)正常工作。產(chǎn)品可提供未封裝的裸芯片，器件封裝類型可根據(jù)客戶要求定制。
2018年10月，泰科天潤與高溫長壽半導(dǎo)體解決方案領(lǐng)先供應(yīng)商CISSOID達成戰(zhàn)略合作，共同推進碳化硅功率器件在工業(yè)各領(lǐng)域，尤其是新能源汽車領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用，如上文介紹，新能源汽車將會是碳化硅功率器件市場規(guī)模的主要增長領(lǐng)域。
汽車中用量最多的半導(dǎo)體器件主要是三大類，傳感器、MCU和功率器件。其中功率器件主要應(yīng)用在動力控制系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、燃油噴射、底盤安全等系統(tǒng)中。與傳統(tǒng)汽車相比，新能源汽車新增大量功率器件用量，為什么呢？由于新能源汽車普遍采用高壓電路，當(dāng)電池輸出高電壓時，需要頻繁進行電壓變換，這時電壓轉(zhuǎn)換電路（DC-DC）用量大幅提升，此外，還需要大量的DC-AC逆變器、變壓器、換流器等，這些對IGBT、MOSFET、二極管等半導(dǎo)體器件的需求量也大幅增加。
據(jù)泰科天潤官微介紹，公司當(dāng)前的產(chǎn)品主要以SiC肖特基二極管為主，可以提供反向電壓為600V、1200V、1700V、3300V等級別的器件，包括擊穿電壓為600V，工作電流為1A、2A、3A、4A、5A、6A、8A、10A、20A的器件，以及擊穿電壓為1200V，工作電流為2A、5A、10A、20A、30A、40A、50A的器件，此外，器件的封裝類型主要為TO-220、TO-247（可根據(jù)客戶要求定制）。
2、深圳基本半導(dǎo)體
深圳基本半導(dǎo)體成立于2016年，由清華大學(xué)、浙江大學(xué)、劍橋大學(xué)、瑞典皇家理工學(xué)院等國內(nèi)外知名高校博士團隊創(chuàng)立，專注于碳化硅功率器件的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，是深圳第三代半導(dǎo)體研究院發(fā)起單位之一。
深圳基本半導(dǎo)體有限公司長期專注SiC功率器件研發(fā)，主要產(chǎn)品包括SiC二極管、SiC?MOSFET及車規(guī)級全SiCMOSFET模塊，廣泛應(yīng)用于新能源發(fā)電、新能源汽車、軌道交通和智能電網(wǎng)等領(lǐng)域。
以SiC二極管為例，通過采用國際領(lǐng)先的碳化硅設(shè)計生產(chǎn)工藝，基本半導(dǎo)體旗下SiC二極管的性能對標國際知名廠商同類產(chǎn)品，甚至在某些產(chǎn)品參數(shù)上更優(yōu)于國際廠商，實現(xiàn)光伏逆變器、車載電源、新能源汽車充電電源、通訊電源、服務(wù)器電源等行業(yè)的大規(guī)模應(yīng)用。
同時，基本半導(dǎo)體在2018年10月正式發(fā)布的1200V碳化硅MOSFET，是第一款由中國企業(yè)自主設(shè)計并通過可靠性測試的工業(yè)級產(chǎn)品，各項性能達到國際領(lǐng)先水平，其中短路耐受時間更是長達6μs。
SiC功率模塊對于器件芯片本身要求很高、對封裝要求很高。前不久，深圳基本半導(dǎo)體營銷總監(jiān)蔡雄飛先生在接受媒體采訪的時候透露，基本半導(dǎo)體目前正在研發(fā)一款對標“用于特斯拉Model3的ST全SiCMOSFET模塊”的車規(guī)級產(chǎn)品，2019年已經(jīng)能提供工程樣品，將會跟國內(nèi)知名汽車整車廠進行聯(lián)合開發(fā)以及樣機研發(fā)，預(yù)期該產(chǎn)品將于2021-2022年上市。
3、揚杰科技
揚杰科技成立于2006年8月2日，2014年1月在深交所創(chuàng)業(yè)板掛牌上市，公司專業(yè)致力于功率半導(dǎo)體芯片及器件制造、集成電路封裝測試等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，主營產(chǎn)品為各類電力電子器件芯片、功率二極管、整流橋、大功率模塊、DFN/QFN產(chǎn)品、SGTMOS及碳化硅SBD、碳化硅JBS等。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于消費類電子、安防、工控、汽車電子、新能源等諸多領(lǐng)域。
從揚杰科技2018年半年度報告中了解到，公司正在積極推進SiC芯片、器件研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項目，加強碳化硅領(lǐng)域的專利布局，重點研發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的碳化硅芯片量產(chǎn)工藝，針對電動汽車、充電樁、光伏逆變等應(yīng)用領(lǐng)域。
揚杰科技官網(wǎng)顯示，目前已有的4個碳化硅碳化硅肖特基模塊，型號分別是MB200DU01FJ、MB200DU02FJ、MB300U02FJ、MB40DU12FJ，如查看Datasheet可以知道，MB200DU01FJ這個型號，可以應(yīng)用在電鍍電源、高頻電源、大電流開關(guān)電源、反向電池保護、焊機等場景中。
3、芯光潤澤
芯光潤澤成立于2016年3月，是一家專業(yè)從事第三代半導(dǎo)體SiC功率器件與模塊研發(fā)和制造的高科技企業(yè)。目前已與西安交大、西安電子科技大學(xué)、華南理工等院校成立聯(lián)合研發(fā)中心，與美的集團、愛發(fā)科集團和強茂集團等企業(yè)簽署合作。
2018年9月18日，芯光潤澤國內(nèi)首條碳化硅智能功率模塊（SiCIPM）生產(chǎn)線正式投產(chǎn)，該項目于2016年12月正式開工建設(shè)，據(jù)了解，該產(chǎn)線投產(chǎn)穩(wěn)定后，每月生產(chǎn)規(guī)模可達30萬、每年可達360萬顆。
從芯光潤澤官網(wǎng)獲悉，公司目前擁有碳化硅產(chǎn)品為碳化硅SBD和碳化硅MOSFET，如XGSCS1230SWA是碳化硅SBD其中一個型號，可以滿足電壓為1200V的電壓需求，適用場景為開關(guān)電源、功率因數(shù)校正、電力逆變器、不間斷電源（UPS）、電機驅(qū)動等等。
4、瑞能半導(dǎo)體
瑞能半導(dǎo)體有限公司是由恩智浦半導(dǎo)體與北京建廣資產(chǎn)管理有限公司共同投資建立的高科技合資企業(yè)，于2016年1月19日宣布正式開業(yè)，運營中心落戶上海。瑞能半導(dǎo)體一直專注于研發(fā)行業(yè)領(lǐng)先的、廣泛且深入的雙擊功率半導(dǎo)體產(chǎn)品組合，包括可控硅整流器和三端雙向可控硅、硅功率二極管、高壓晶體管和碳化硅二極管等。
公司的碳化硅二極管主要應(yīng)用在工業(yè)、服務(wù)器、空調(diào)等領(lǐng)域，從官網(wǎng)了解到，瑞能半導(dǎo)體碳化硅二極管型號共有25個，都可以滿足電壓為650V的需求，如型號NXPSC16650B，可以應(yīng)用在功率因數(shù)校正、開關(guān)模式電源、不間斷電源（UPS）、光伏逆變器、LED/OLED電視、電機驅(qū)動等場景中。
5、上海瞻芯電子
上海瞻芯電子成立于2017年7月17日，是一家由海歸博士領(lǐng)銜的Fabless半導(dǎo)體初創(chuàng)公司，齊集了海內(nèi)外一支經(jīng)驗豐富的工藝、器件、電路設(shè)計、系統(tǒng)應(yīng)用、市場推廣和商務(wù)管理的高素質(zhì)核心團隊。公司致力于開發(fā)以碳化硅功率器件為核心的高性價比功率芯片和模塊產(chǎn)品，為電源和電驅(qū)動系統(tǒng)的小型化、高效化和輕量化提供完整的半導(dǎo)體解決方案。
2017年10月上旬，公司完成工藝流程、器件和版圖設(shè)計，在10月到12月間完成初步工藝試驗；并且從2017年12月開始正式流片，在短短不到5個月內(nèi)克服種種困難，成功地在一條成熟量產(chǎn)的6英寸工藝生產(chǎn)線上完成碳化硅(SiC)MOSFET的制造流程。晶圓級測試結(jié)果表明，各項電學(xué)參數(shù)達到預(yù)期，為進一步完成工藝和器件設(shè)計的優(yōu)化奠定了堅實基礎(chǔ)。2018年5月1日，第一片國產(chǎn)6英寸SiCMOSFET晶圓正式誕生。
總結(jié)
新能源汽車是SiC功率器件的主要增長點，充電樁也是，以直流充電樁為例，據(jù)CASA測算，電動汽車充電樁中的SiC器件的平均滲透率達到10%，2018年整個直流充電樁SiC電力電子器件的市場規(guī)模約為1.3億，較2017年增加了一倍多。
SiC功率器件存在很多優(yōu)勢，未來發(fā)展空間也在逐漸增大，不過在發(fā)展SiC器件的過程中，還是存在不少問題，從近幾年的發(fā)展來看，國內(nèi)外廠商還是研究機構(gòu)，都在加大投入發(fā)展更有的技術(shù)和產(chǎn)品，相信未來SiC器件不管在性能還是價格等多方面都會更適應(yīng)市場需求。