新一代寬禁帶半導(dǎo)體材料由于優(yōu)異的潛在材料性能，在功率器件中得到了廣泛應(yīng)用,，十幾年來一直是電力電子領(lǐng)域的研發(fā)熱點。其中碳化硅(SiC)功率器件的技術(shù)成熟度最高,，幾年前率先進入實用商品化階段后，保持了較高的增長勢頭，吸引了產(chǎn)業(yè)界很多關(guān)注,。相關(guān)新能源技術(shù)和產(chǎn)業(yè)(包括太陽能、風電,、混合及純電動汽車等)的發(fā)展更加速了SiC功率器件產(chǎn)業(yè)的成長,。市場預(yù)測，該行業(yè)在今后的幾年中將保持高達38%的年增長率,。
目前主流的SiC功率器件產(chǎn)品,，包括用以在900V以上的應(yīng)用領(lǐng)域替代硅絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)，以及600V以上應(yīng)用領(lǐng)域替代硅快速恢復(fù)(FRD)的肖特基二極管(SBD, 其中主要的一類又叫做JBS,，見后文),。
雖然MOSFET產(chǎn)品的應(yīng)用處于迅速的擴張中，并且是廠商研發(fā)活動的焦點,，但是目前SiC功率器件的商業(yè)應(yīng)用仍然以肖特基二極管為主,，并且明顯地集中在幾個典型的功能和應(yīng)用領(lǐng)域。與它明顯而巨大的優(yōu)勢潛力相比,，目前的發(fā)展速度實際上是不能令人滿意,，而且令人意外。在這里,，結(jié)合應(yīng)用和器件本身2個方面,，介紹一下當前SiC肖特基二極管的技術(shù)特征、面臨的障礙和今后發(fā)展的趨勢,。
市場現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)
1.成本
目前SiC器件廣泛應(yīng)用的最大障礙還是成本,。可以說,，如果SiC功率器件的成本能夠降到接近于硅器件的水平,，那么很多問題就能迎刃而解，而不會是今天這個局面,。目前最典型的SiC肖特基二極管產(chǎn)品(600V10A)的市場價格還是同規(guī)格硅FRD產(chǎn)品的5～6倍以上,。對于更大的額定電流的產(chǎn)品，成本差距就更懸殊,。實際上,，由于市場規(guī)模還小，當前為數(shù)不多的SiC器件廠商絕大部分都沒有足夠充分的產(chǎn)能資源,，都是在賠本補貼,，實際上也無法保證大量供貨。因此，能否降低成本,，能否保證供應(yīng),，是下游應(yīng)用廠商對器件廠家的最大疑問。在這個問題得到滿意答案之前,，SiC肖特基二極管的應(yīng)用被局限在少數(shù)不得不用的領(lǐng)域,。典型的有下面4個方面。
(1) 高端音響
主要利用SiC三極管的優(yōu)良的高溫高功率下的放大功能(BJT,、JFET、MOSFET),，以少畸變,、高保真達到最佳音響聽覺效果。但是對SiC肖特基二極管也有明顯的需求,，可以用在不同的電路部分,。這是一個追求性能和用戶體驗，對成本不敏感的行業(yè),，是SiC肖特基二極管(同時也是SiC功率器件)的第1個民用下游領(lǐng)域,，曾經(jīng)在早期為SiC功率器件廠家提供了最初的現(xiàn)金流。由于我國缺乏高端音響制造業(yè),，在SiC器件行業(yè)起步也較晚,，未能得到進入這個市場的機會。
(2) 服務(wù)器電源功率因數(shù)校正(PFC)
這主要是因為大量服務(wù)器集中放置,，耗電較高,，同時硅快速恢復(fù)二極管(FRD)發(fā)熱較高。改用SiC-SBD后,，提高效率,，除了減少耗電，更重要的是降低器件溫度,，減少散熱成本,，提高了至關(guān)重要的系統(tǒng)可靠性。在新能源汽車興起之前,，服務(wù)器電源PFC一度是SiC-SBD最主要的市場,。這個應(yīng)用領(lǐng)域?qū)煽啃缘囊筝^高，已經(jīng)被歐美日公司占據(jù),，國內(nèi)廠商因為起步較晚,，滲透十分困難。圖1是一個典型的PFC升壓電路圖,。
圖1 典型的PFC升壓電路部分
(3)光伏微型逆變器升壓電路
主要是因為家庭光伏所用的微型逆變器體積較小,，需要提高工作頻率來減小被動原件的體積。在高頻下，硅FRD的效率下降,。一些國家和地區(qū)(比如歐盟,、加州、澳大利亞等)對光伏微逆入網(wǎng)有效率限制,，大致為95%左右,，這就使得SiC-SBD成為必須的選擇。光伏微逆所用的SiC-SBD功率等級較低,，應(yīng)用工況(電路環(huán)境)比較理想,，對產(chǎn)品的電環(huán)境可靠性要求較低，產(chǎn)品質(zhì)量和成本都比較容易滿足要求,。這是目前SiC器件廠商主要的利潤來源,。一旦家庭太陽能通過政策支持等方式普及，SiC功率器件產(chǎn)業(yè)必然會有爆發(fā)性的發(fā)展,。
(4)便攜式電動車充電機PFC
這個應(yīng)用考慮與光伏微逆類似,，區(qū)別是對效率下限并無法規(guī)限制，但是由于占用新能源汽車空間和重量載荷的緣故,，對小型輕量化的要求更迫切,，所以普遍地采用SiC-SBD。相應(yīng)地,，空間和質(zhì)量限制方面考慮較少的固定式充電樁,，SiC-SBD的滲透率就低一些。目前電動車充電機處于一個爆發(fā)性增長階段,，對國產(chǎn)SiC器件的需求很旺盛,，是國內(nèi)廠商必須抓住的市場機會。
2.垂直整合/橫向劃分/產(chǎn)品標準
成本并不是碳化SBD廣泛應(yīng)用的唯一障礙,。比如對于目前的小功率應(yīng)用,，盡管SiC-SBD比對應(yīng)的硅FRD要貴很多，但是在整個系統(tǒng)成本中,，所占比例仍然是微不足道的,。以最常見的家用空調(diào)為例，使用SiC-SBD,，增加的成本只有幾元錢,。而使用SiC器件代替硅器件，可以降低系統(tǒng)成本(被動元件的尺寸規(guī)格)和提高性能效率,。在很多場合中,，可以輕易補償器件成本的增加。
現(xiàn)在阻礙SiC-SBD在更廣泛的領(lǐng)域應(yīng)用的因素,，還有以下4個方面,。
① 下游用戶對SiC器件的性能不了解。功率器件屬于最保守的工業(yè)領(lǐng)域之一,。目前所有的功率器件用戶經(jīng)驗,，都是關(guān)于硅器件的。以全新半導(dǎo)體新材料為基礎(chǔ)的SiC器件,，和相應(yīng)的硅器件性質(zhì)上有很大差別,。就以最簡單的正向額定電流來說，在一般的一百多攝氏度的工況下,，硅器件都要降額使用,，大致只有室溫下額定電流的1/3。而SiC-SBD的電阻溫度系數(shù)是正值,，反向漏電隨溫度上升(在一定范圍內(nèi))也不明顯,，因此在這種典型工況下，不需要降額使用,。也就是說，一個標稱10A的SiC-SBD,，大致可以對應(yīng)室溫額定電流30A的硅FRD,。這樣一來，實際上SiC和相應(yīng)硅產(chǎn)品的價格對比就沒有那么懸殊,。很多用戶僅僅因為不了解這一點,，就被被表面上的價格差別嚇退。還有客戶一定要從硅FRD的使用經(jīng)驗出發(fā),，無法解讀理解SiC-SBD產(chǎn)品技術(shù)手冊,。比如反復(fù)要求廠商測量并提供對于單極器件來說并不存在的反向恢復(fù)時間(Trr)和電荷。為了迎合這些用戶,，SiC-SBD廠商往往不得不扭曲地改寫產(chǎn)品技術(shù)手冊,。
② SiC功率器件的使用,，還遠遠不只是一個簡單的器件替換的問題(這時候考慮的是最主要的正反向電測試指標),，而是一個系統(tǒng)工程。一般來說,，使用SiC-SBD替代硅FRD,，意味著工作頻率的提高，需要使用新的驅(qū)動,，并且考慮高頻下的寄生參數(shù),。如果說SiC-SBD的主要電指標(正向壓降和反向耐壓漏電)大致是以要替代的產(chǎn)品(硅FRD)的指標為目標而設(shè)計的話，其次要指標(熱阻,、電容,、電荷、雪崩、浪涌)由于材料特性的關(guān)系,，與硅FRD的差別就非常之大,。而這些差別在新工況下(高頻)是無法忽略的。實際上,，由于SiC-SBD尚屬新一代產(chǎn)品,，各個廠商的提供的同樣主要指標的產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)并不相同(往往還有專利限制),，因此次要指標也有差別,，在系統(tǒng)層面不做調(diào)整則無法簡單互換。器件在新系統(tǒng)新工況下的表現(xiàn)(效率,、功耗,、發(fā)熱)以及可靠性(包括電路環(huán)境和綜合環(huán)境)，都是全新的問題,，需要一代應(yīng)用技術(shù)開發(fā)人員去理解適應(yīng),。我國尤其缺乏這方面的前瞻性投入。很多企業(yè)往往是山寨別人已有的系統(tǒng)設(shè)計,，對器件和系統(tǒng)的互動關(guān)系理解不深,。在當前各家SiC器件廠商都無充分產(chǎn)能的情況下，只依賴單一供應(yīng)商來源,，對供應(yīng)鏈保障不利,，也影響了對新產(chǎn)品的使用熱情。
?、跾iC-SBD廠商本身對應(yīng)用的了解也不夠,。產(chǎn)品開發(fā)的技術(shù)負責人往往沒有應(yīng)用背景，甚至連硅器件的知識和經(jīng)驗也沒有,。無法和下游用戶的應(yīng)用工程師,，品質(zhì)負責人等有效溝通交流。實際上,，現(xiàn)在SiC-SBD產(chǎn)品,，在某些方面離充分開發(fā)材料潛力也有很大距離。比如說,，器件前道和封裝這2個環(huán)節(jié)都沒有達到很好的磨合,。目前的民品封裝基本還是沿用硅器件的材料和技術(shù)，這就限制了最重要的材料高溫特性方面的優(yōu)勢,。對于這樣一個全新材料在保守領(lǐng)域的應(yīng)用,，某個時期內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈的垂直整合是至關(guān)重要的，日本在這方面做得比較好,。而歐美市場相關(guān)企業(yè)最近的一系列動態(tài),，也是明顯地趨向垂直整合,。而我國在這方面的動作明顯落后。
?、艽怪闭辖鉀Q的是技術(shù)磨合成熟的問題,。從產(chǎn)業(yè)來說，由于SiC材料的成本高昂,，之后仍然需要產(chǎn)業(yè)鏈的橫向?qū)I(yè)化劃分,，才能降低成本保證供應(yīng)。對于器件前道部分尤其如此,。作者認為,，需要通過全產(chǎn)業(yè)鏈的交流，逐漸形成對于相關(guān)的產(chǎn)品的共識,，進而產(chǎn)生行業(yè)標準,，利于器件廠家控制投資產(chǎn)能時的市場風險，同時也有利于器件用戶的系統(tǒng)開發(fā)和供應(yīng)鏈保證,。
市場上可見的SiC-SBD產(chǎn)品的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展前
下面從器件廠商的角度,，針對產(chǎn)業(yè)鏈介紹一下目前市場上可見的各種SiC-SBD產(chǎn)品的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展前景。
目前市場上SiC-SBD器件,，結(jié)構(gòu)還較為簡單,。這是由優(yōu)異的材料性能、昂貴的成本,、不完善的材料質(zhì)量和工藝艱難這4個主要的特點決定,。由于材料性能優(yōu)異,，最簡單設(shè)計也能到達遠遠優(yōu)于硅器件的指標,，那么設(shè)計的考量就主要在工藝方面。因此目前SiC-SBD器件的設(shè)計完全是工藝主導(dǎo)的,，并未專門化,。純SBD器件的基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。為簡化起見,，其中去掉了背面歐姆金屬等部分,。
圖2 純SBD器件結(jié)構(gòu)示意圖
純SBD是SiC-SBD器件早期主流結(jié)構(gòu)?？梢砸源藶榛A(chǔ),，討論SiC-SBD器件的成本，特性和設(shè)計考量,。最下面的N元素高摻雜(N+)襯底是產(chǎn)品成本的主要部分,，目前還未見我國廠家有能提供有商業(yè)競爭力的產(chǎn)品。這也是制約我國SiC功率器件產(chǎn)業(yè)的主要障礙,。上面的N元素低摻雜(N-)漂移層由外延工藝生長而成,，目前我國這方面與國際水平相差較小,。這二者合起來的材料成本占據(jù)了目前整個器件總成本的大部分。一般認為,，即使在規(guī)?；螅趦?nèi)材料成本大幅降低的可能性并不大,。僅此2項就決定近期內(nèi)SiC-SBD價格不可能降低到接近硅FRD的水平,，尤其是大額定電流的產(chǎn)品。至于4～6英寸的轉(zhuǎn)變,，也不能明顯改變這一局面,。
肖特基二極管最主要的工藝特性是反向漏電和正向壓降。SiC-SBD器件和硅肖特基類似,，IV曲線雪崩部分較“軟”,，不同于它替代的硅PN管。這也是很多熟悉硅PN管的應(yīng)用工程師很不習慣的地方,。一般工況小,、反向漏電造成的反向損耗(反向漏電×阻斷電壓)在總功耗中的貢獻可以忽略不計。反向漏電的重要性在于它是表征可靠性(高溫反偏和反向電壓過載)的重要指標,。經(jīng)過多年的探索,，SiC-SBD器件廠家，對何種漏電水平可能引起瞬時反向電壓過載的耐受能力不足,，已有足夠認識,。所以用戶在選擇產(chǎn)品時，不需要過多關(guān)注漏電水平,。
在正向壓降方面,，SiC-SBD器件的指標，目標定為大致和硅FRD在高溫下的量值類似,，這已經(jīng)成為行業(yè)標準,。除了以上2個主要指標，SiC-SBD器件的產(chǎn)品手冊還需要標明還有以下次要指標：
熱阻：大致由器件的面積和封裝決定,。需要注意的是,，SiC器件的熱阻較小，而且其電阻的溫度依存性小,，因此使用硅器件的熱阻測量裝置,，測出的熱阻值往往并不準確。不同廠家給出的值并無絕對意義,，需要在同一測量裝置上比對,。
反向恢復(fù)時間/電荷：對于SiC-SBD，這個值不但很難測準,，而且實際上的意義需要澄清,。目前嚴肅的廠商不再迎合用戶提供這個結(jié)果,。嚴格來說，單級器件沒有反向恢復(fù)時間和電荷,。測出來的表觀反向恢復(fù)時間/電荷,，是結(jié)電容和寄生電容的充電時間/電荷。
這個電荷并不經(jīng)過器件內(nèi)電場,，所以不會在器件內(nèi)發(fā)熱,。但是在高頻工況下，這些電荷對線路中其他部分的影響,，類似于反向恢復(fù)電荷,。
正向浪涌：由于SiC-SBD的浪涌值遠低于相應(yīng)的硅FRD，因此成為非常重要的指標,。一般正向浪涌用額定電流的倍數(shù)來表示,。 早期SiC-SBD的浪涌，往往在5倍左右,。而同規(guī)格的硅FRD,，可達20倍。如果考慮到實際使用中硅器件需要降額到1/3左右的電流值,，這就等于是5︰60 的差距,。在圖1中的PFC電路中，當SiC-SBD浪涌電流值不夠的時候,，需要為這個二極管(和電源側(cè)的電感一起)并聯(lián)一只硅管,，這就增加了器件成本和電路的復(fù)雜性。
反向雪崩能量(EAS)：SiC-SBD的反向雪崩耐量也低于相應(yīng)的硅FRD,。由于EAS較低,，在標準EAS測試裝置中，SiC-SBD行業(yè)標準是采用5mH的電感( 硅二極管往往用0.5mH),，來獲得較大的EAS,，而且習慣用測量電路中電感的充電電流來表達,。如果這個電流值能夠接近器件正向額定電流,，就是較滿意的結(jié)果。在某些應(yīng)用中,，反向雪崩在應(yīng)用可靠性評估中不如正向浪涌重要,，在圖1所示的PFC電路中，二極管旁邊的電容可以抑制反向電壓過載,。 由于材料的問題,，SiC-SBD的EAS離散性較大，因為廠商一般不在技術(shù)手冊中標明,，但是用戶應(yīng)該了解所用產(chǎn)品EAS的基本情況,。
在純SBD結(jié)構(gòu)中,，N- 漂移層的材料質(zhì)量(缺陷水平)和肖特基表面(肖特基金屬和N-漂移層的界面)工藝最為關(guān)鍵。在同樣的反向漏電和正向壓降的指標下,，可以依賴較高的工藝水平縮小面積,，降低成本，但是這需要付出熱阻和浪涌方面的代價,。因此目前各個廠商在這方面的差距,，不足以導(dǎo)致明顯的成本差別。
純SBD結(jié)構(gòu)的SiC-SBD器件,，可以在普通的硅半導(dǎo)體產(chǎn)線上完成,，不需要添加SiC特有的工藝設(shè)備。由于目前有很多折舊完畢的硅6英寸線,，這意味著前道流片成本和產(chǎn)能方面的巨大優(yōu)勢,。然而它最為人詬病的是電路環(huán)境可靠性方面的弱點，也就是較差的反向雪崩和正向浪涌耐受能力,。其中前者是業(yè)界紛紛放棄純SBD結(jié)構(gòu),，轉(zhuǎn)向所謂的結(jié)勢壘肖特基(JBS)結(jié)構(gòu)的原因[3]。雖然如此,，也有廠家通過精確的邊緣結(jié)構(gòu)工藝控制,，以略微犧牲反向漏電水平的代價，獲得不遜于JBS結(jié)構(gòu)的雪崩耐受能量,。在正向浪涌方面,，純SBD結(jié)構(gòu)因為設(shè)計非常簡單，似乎更加絕望,。然而確實有廠家在封裝方面努力增加器件對熱應(yīng)力的耐受,，從而有效改善了浪涌能力，但是產(chǎn)品數(shù)據(jù)相對離散性較大,。
綜上所述,，考慮到SiC器件的成本障礙，以及在某些線路設(shè)計中對器件浪涌雪崩要求不高的事實,，筆者認為純SBD結(jié)構(gòu)的SiC-SBD器件,，在一段時間內(nèi)仍有市場生命力。只是需要用戶在應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計時,，針對到低成本器件的弱點,，在線路設(shè)計上有所考慮和預(yù)備。
圖3 場限環(huán)終端的JBS器件結(jié)構(gòu)示意圖
由于純SBD結(jié)構(gòu)的缺點,，目前市場上的SiC-SBD器件廠商,，大部分提供的都是前述的JBS結(jié)構(gòu)。由于SiC材料比較難以刻蝕,，為了工藝簡化起見,，通常的600V和1 200V產(chǎn)品較少采用臺階終端保護結(jié)構(gòu),，而是以場限環(huán)和結(jié)終端擴展(JTE)為主。圖3和圖4分別展示了這2種不同的終端設(shè)計,。
圖4 JTE終端的JBS器件結(jié)構(gòu)示意圖
由于有了結(jié)勢壘(JB)注入,，大大削弱了器件表面場強，所以JBS器件可以在保證漏電很低的情況下,，增加N-飄移區(qū)的摻雜濃度,，降低正向壓降，代價只是損失了JB注入?yún)^(qū)的導(dǎo)通面積,。而這個“損失”的導(dǎo)通面積還可以提高浪涌能力,。目前市場上大面積(大額定電流)的產(chǎn)品都只能是JBS結(jié)構(gòu)。
與純SBD一樣,，JBS結(jié)構(gòu)的器件,，工藝能力的高低也體現(xiàn)在肖特基表面工藝。工藝水平高的,，可以采用較大的JB注入?yún)^(qū)間隔(也就是圖3,、4中的d 值)，節(jié)約成本,。但是這又是以犧牲重要的浪涌能力為代價,。因此，市場上各個廠商的JBS器件,，實際上差別并不很大,。
在2種常見的終端結(jié)構(gòu)中，場限環(huán)的優(yōu)點在于流程只需要一次注入,，同時器件的漏電和雪崩對表面狀況相對不很敏感,，結(jié)電容小。缺點是對光刻工藝要求高,，同時器件的雪崩較差,。反過來，JTE結(jié)構(gòu)對光刻要求低,，器件的雪崩耐量高,，但是需要多一次注入，結(jié)電容大,，同時漏電尤其是雪崩對表面狀況敏感,，容易有片間和批次間的飄移,。作者認為比較起來,，從國內(nèi)產(chǎn)線的設(shè)備情況來看，僅就1 200V和600V電壓產(chǎn)品來說,，JTE結(jié)構(gòu)更有可能占據(jù)主導(dǎo)地位,。
市場上也曾出現(xiàn)其他類型的SiC-SBD結(jié)構(gòu),，比如較復(fù)雜的[N-變摻雜+PN開窗+臺階JTE]結(jié)構(gòu)，但是筆者認為,，結(jié)構(gòu)簡化標準化是近期產(chǎn)品主流趨勢,。原因如下：
① 其產(chǎn)品性能優(yōu)越性已經(jīng)為市場證實,，形成了自己占優(yōu)勢的應(yīng)用領(lǐng)域,。不急切需要進一步挖掘性能的潛力。
?、谂c消費電子不同,，功率器件是理性保守的行業(yè)，重視成本和可靠性,，而且全新器件需要系統(tǒng)應(yīng)用層面的配合,。行業(yè)用戶需要看到價格下降，使用范圍和規(guī)模增大,，技術(shù)一定程度的透明化,，積累應(yīng)用經(jīng)驗，保障供應(yīng)鏈穩(wěn)定,。
?、鄹鱾€產(chǎn)業(yè)鏈條的SiC廠商多年研發(fā)投入未能盈利，為規(guī)避財務(wù)風險,，尚未積極投入產(chǎn)能擴張,。
結(jié)語
綜上所述，SiC-SBD器件的標準化條件已經(jīng)接近成熟,，并且成為行業(yè)進一步發(fā)展的必然要求和推動因素,。由于材料技術(shù)進步進展不大，成本居高不下,，這一產(chǎn)品標準化過程不易自發(fā)完成,。筆者一直呼吁政府和行業(yè)組織積極發(fā)揮作用，促進產(chǎn)業(yè)垂直整合和橫向?qū)ｉT化/標準化,。
除了組織引導(dǎo)之外,，在具體的資源投入上，以前業(yè)界曾經(jīng)普遍認為財務(wù)激勵應(yīng)當集中在應(yīng)用環(huán)節(jié),，通過補貼鼓勵最末端的用戶使用國產(chǎn)器件,，促進整個產(chǎn)業(yè)鏈的健康發(fā)展。現(xiàn)在看來,，應(yīng)用環(huán)節(jié)已經(jīng)自發(fā)活躍起來;反而是最前端的襯底材料,，成為制約我國SiC功率器件發(fā)展的瓶頸。目前在材料環(huán)節(jié)，我國已經(jīng)在國家產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略和商務(wù)上受到日美等國相當程度的封鎖和打壓,。在一個走出補貼布局階段形成規(guī)模,，相對規(guī)范透明的產(chǎn)品領(lǐng)域，在占最顯著成本比例的材料環(huán)節(jié)受到封鎖抬價,，將成為噩夢一般的場景,。不幸的是，現(xiàn)在國內(nèi)業(yè)界的各個環(huán)節(jié),，已經(jīng)明顯看到這個局面的苗頭,。