一文讀懂碳化硅半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷程

國(guó)際國(guó)內(nèi)的現(xiàn)狀

之前許久的時(shí)間里，我們基本都集中于以硅半導(dǎo)體材料為主的分立器件和集成電·的研究中，廣泛的應(yīng)用以于消費(fèi)電子、工業(yè)控制、通信、汽車(chē)電子、航天航空等各個(gè)領(lǐng)域，帶來(lái)的發(fā)展時(shí)巨大的。

而作為一個(gè)人口龐大的中國(guó)，我國(guó)的半導(dǎo)體集成電·等大多數(shù)還是靠進(jìn)口，關(guān)于半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展還是不及國(guó)外，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2014年至2017年的集成電·進(jìn)口額年均都在2000億美元以上，數(shù)額時(shí)相當(dāng)?shù)凝嫶?。就如現(xiàn)在行業(yè)的現(xiàn)狀，進(jìn)口器件在工程師心中始終是優(yōu)于國(guó)產(chǎn)器件的，而談到國(guó)產(chǎn)器件，首先想到的只會(huì)是成本但是我們作為科技興國(guó)的我們會(huì)甘于這種情況嗎?2014年，我國(guó)成立了集成電·產(chǎn)業(yè)投資基金，以市場(chǎng)化投資的方式來(lái)推動(dòng)這一產(chǎn)業(yè)，至2017年投入資金近800億元。

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，提高能源效率與降低能源消耗已經(jīng)成為全球范Χ內(nèi)一個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題。硅半導(dǎo)體在功率電子領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)逐漸接近硅材料的理論極限，最近幾年以碳化硅 (SiC)、氮化鎵(GaN)為代表的寬禁帶半導(dǎo)體(WBG Semi，WideBand Gap Semiconductor)越來(lái)越受到大家的關(guān)注，其中碳化硅半導(dǎo)體已經(jīng)開(kāi)始在多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外廠家也都紛紛投入到碳化硅的研發(fā)和生產(chǎn)之中，以碳化硅為主要代表的WBG Semi的春天已然來(lái)臨。

主要半導(dǎo)體材料比較

以碳化硅半導(dǎo)體為主要代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料性能和其他常用半導(dǎo)體材料的異同分析。碳化硅(SiC)由碳(C)原子和硅(Si)原子組成，其晶體結(jié)構(gòu)具有同質(zhì)多型體的特點(diǎn)，在半導(dǎo)體領(lǐng)域最常見(jiàn)的是具有立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)的 3C-SiC 和六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的4H-SiC和6H-SiC。同時(shí)，單晶碳化硅(SiC)比單晶硅(Si)具有很多優(yōu)越的物理特性，主要表現(xiàn)在高禁帶寬度、高擊穿電場(chǎng)和高熱導(dǎo)率等方面都優(yōu)于硅基半導(dǎo)體材料。目前常用的碳化硅外延片(EpitaxyWafer)是4H-SiC晶體結(jié)構(gòu)。

上圖是主要但導(dǎo)體材料的參數(shù)，硅作為第一代半導(dǎo)體材料，碳化硅等作為第三代，那第二代是什ô呢?表中也給出來(lái)了，便是以砷化鎵(GaAs)為代表的，是第二代，這也許是個(gè)短暫的過(guò)渡，這塊û有過(guò)多了解，大家可以去了解一下。

目前世界范Χ內(nèi)大多數(shù)系統(tǒng)廠商已經(jīng)在擴(kuò)大碳化硅半導(dǎo)體領(lǐng)域的投資，而很少有廠商愿意過(guò)多投資氮化鎵半導(dǎo)體，理由如下：

①碳化硅的優(yōu)勢(shì)在于：從量產(chǎn)層面比氮化鎵更成熟，具有更好的性能。

②硅基氮化鎵的優(yōu)勢(shì)在于：成本理論上比碳化硅更便宜;

③如果要改變這種局面，需要氮化鎵功率器件做到更加品質(zhì)可靠，并且提供更加便宜的系統(tǒng)解決方案。

碳化硅半導(dǎo)體芯片產(chǎn)品主要包括碳化硅半導(dǎo)體功率器件和與之配套的碳化硅 MOSFET 驅(qū)動(dòng)芯片。其中，碳化硅半導(dǎo)體功率器件的主要產(chǎn)品方向目前包括兩大類(lèi)。

➽一類(lèi)是二極管類(lèi)，主要包括結(jié)型勢(shì)壘肖特基二極(JBS Junction Barrier Schottky)和MPS二極管(MPS，Merged PiN Schottky)。

➽一類(lèi)是場(chǎng)效應(yīng)晶體管類(lèi)(FET)，包括結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)，金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)等.

主要的SiC廠家

目前主流的碳化硅生產(chǎn)廠家大多還是國(guó)外老牌的那些，其中重頭的當(dāng)屬略帶霸主氣質(zhì)的英飛凌了。

2001年德國(guó)英飛凌公司(Infineon)率先將碳化硅二極管產(chǎn)品推向產(chǎn)業(yè)化,美國(guó)科瑞公司(Cree)和意法半導(dǎo)體(ST Microelectronics)等廠商也緊隨其后推出了碳化硅二極管產(chǎn)品。，英飛凌也曾經(jīng)想吞并Cree來(lái)著，但迫于當(dāng)局壓力，û能成功。

在日本, 羅姆(Rohm)、富士電機(jī)(Fuji Electric)和瑞薩電(Renesas)也在開(kāi)發(fā)肖特基勢(shì)壘二極管(SBD)和結(jié)型勢(shì)壘肖特基二極管(JBS)。目前,碳化硅二極管產(chǎn)品系列已經(jīng)包括600V~1700V電壓等級(jí)和50A等電流等級(jí)的產(chǎn)品。

2012年9月，美國(guó)科瑞公司宣布的6英寸碳化硅晶圓量產(chǎn)，是碳化硅走向規(guī)?；a(chǎn)從而真正市場(chǎng)化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。早期的碳化MOSFET是以平面型先開(kāi)始的，包括日本羅姆的第一代和第二代，美國(guó)科瑞的前三代。目前，德國(guó)英飛凌公司正在著力推廣溝槽型碳化硅MOSFET。

國(guó)外的發(fā)展，國(guó)內(nèi)肯定不會(huì)坐以待斃，國(guó)內(nèi)的廠商也開(kāi)始進(jìn)入碳化硅功率器件研究領(lǐng)域，包括泰科天潤(rùn)、世紀(jì)金光和基本半導(dǎo)體等。據(jù)報(bào)道，碳化硅二極管已經(jīng)進(jìn)入量產(chǎn)，碳化硅MOS也有成品。

SiC常見(jiàn)封裝類(lèi)型

雖然碳化硅半導(dǎo)體材料具有硅半導(dǎo)體材料不可比擬的優(yōu)勢(shì)，但是目前量產(chǎn)階段的相關(guān)功率器件封裝類(lèi)型基本還是沿用了硅功率器件。目前碳化硅二極管的常用封裝類(lèi)型還是TO220為主，碳化硅MOSFET的常用封裝類(lèi)型還是TO247-3為主。當(dāng)然目前也推出了TO247-4的封裝，增加了一個(gè)驅(qū)動(dòng)控制專(zhuān)用的源極引腳，提高開(kāi)關(guān)能效，降低開(kāi)關(guān)損耗，支持更高的開(kāi)關(guān)頻率，進(jìn)一步降低電源尺寸。

碳化硅模塊的封裝

與硅 IGBT 功率模塊相比，全碳化硅功率模塊可高速開(kāi)關(guān)并可大幅降低開(kāi)關(guān)損耗。為了優(yōu)化碳化硅功率器件使用過(guò)程中的性能和可靠性，并有效地結(jié)合功率器件與不同的應(yīng)用方案，模塊封裝的研究早已開(kāi)始，但是模塊封裝的主要瓶頸是在高開(kāi)關(guān)速度引起的高dv/dt和di/dt，高運(yùn)行溫度和高電場(chǎng)強(qiáng)度。目前常用全碳化硅功率模塊還是碳化硅MOSFET和碳化硅二極管的組合，而驅(qū)動(dòng)芯片通常是放置在功率模塊以外的驅(qū)動(dòng)板上。

碳化硅功率器件和電力電子應(yīng)用方案的緊密結(jié)合將是推動(dòng)碳化硅半導(dǎo)體δ來(lái)廣泛應(yīng)用的重要條件。目前碳化硅主要應(yīng)用大致有下面一些：光伏、新能源汽車(chē)、充電樁、智能電網(wǎng)等。而價(jià)格是目前制約其大范Χ使用的因素之一。

碳化硅材料主要包括碳化硅襯底片(Substrate)和外延片(EpitaxyWafer)。目前碳化硅襯底片和外延片基本掌握在美國(guó)和日本幾家主要廠商手里，而目前碳化硅功率器件的芯片成本很大程度上取決于碳化硅材料的成本，在5年內(nèi)迫切期望國(guó)產(chǎn)碳化硅材料在品質(zhì)上取得質(zhì)的突破。