新一代寬禁帶半導體材料由于優(yōu)異的潛在材料性能，在功率器件中得到了廣泛應用,，十幾年來一直是電力電子領域的研發(fā)熱點。其中碳化硅(SiC)功率器件的技術成熟度最高，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,，吸引了產業(yè)界很多關注。相關新能源技術和產業(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功率器件產業(yè)的成長。市場預測,，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功率器件產品，包括用以在900V以上的應用領域替代硅絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的金屬-氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET),，以及600V以上應用領域替代硅快速恢復(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產品的應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用領域,。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,，結合應用和器件本身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器件廣泛應用的最大障礙還是成本?？梢哉f,，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肖特基二極管產品(600V10A)的市場價格還是同規(guī)格硅FRD產品的5～6倍以上。對于更大的額定電流的產品,，成本差距就更懸殊,。實際上，由于市場規(guī)模還小,，當前為數不多的SiC器件廠商絕大部分都沒有足夠充分的產能資源,，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，是下游應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肖特基二極管的應用被局限在少數不得不用的領域,。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個民用下游領域，曾經在早期為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) 服務器電源功率因數校正(PFC)
這主要是因為大量服務器集中放置,，耗電較高，同時硅快速恢復二極管(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，提高了至關重要的系統(tǒng)可靠性,。在新能源汽車興起之前,，服務器電源PFC一度是SiC-SBD最主要的市場。這個應用領域對可靠性的要求較高,，已經被歐美日公司占據,，國內廠商因為起步較晚，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,，應用工況(電路環(huán)境)比較理想，對產品的電環(huán)境可靠性要求較低,，產品質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,。相應地,，空間和質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SiC器件的需求很旺盛，是國內廠商必須抓住的市場機會,。
2.垂直整合/橫向劃分/產品標準
成本并不是碳化SBD廣泛應用的唯一障礙,。比如對于目前的小功率應用，盡管SiC-SBD比對應的硅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在更廣泛的領域應用的因素,，還有以下4個方面。
?、?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)領域之一,。目前所有的功率器件用戶經驗，都是關于硅器件的,。以全新半導體新材料為基礎的SiC器件,，和相應的硅器件性質上有很大差別。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的電阻溫度系數是正值,，反向漏電隨溫度上升(在一定范圍內)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,，大致可以對應室溫額定電流30A的硅FRD。這樣一來,，實際上SiC和相應硅產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的使用經驗出發(fā),，無法解讀理解SiC-SBD產品技術手冊。比如反復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品技術手冊。
?、?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,，需要使用新的驅動,，并且考慮高頻下的寄生參數。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品(硅FRD)的指標為目標而設計的話,，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尚屬新一代產品，各個廠商的提供的同樣主要指標的產品,，其結構并不相同(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,，需要一代應用技術開發(fā)人員去理解適應。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)設計,，對器件和系統(tǒng)的互動關系理解不深。在當前各家SiC器件廠商都無充分產能的情況下,，只依賴單一供應商來源,，對供應鏈保障不利，也影響了對新產品的使用熱情,。
?、跾iC-SBD廠商本身對應用的了解也不夠。產品開發(fā)的技術負責人往往沒有應用背景,，甚至連硅器件的知識和經驗也沒有,。無法和下游用戶的應用工程師，品質負責人等有效溝通交流,。實際上,，現(xiàn)在SiC-SBD產品，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,，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域的應用，某個時期內產業(yè)鏈的垂直整合是至關重要的,，日本在這方面做得比較好,。而歐美市場相關企業(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的是技術磨合成熟的問題。從產業(yè)來說,，由于SiC材料的成本高昂,，之后仍然需要產業(yè)鏈的橫向專業(yè)化劃分，才能降低成本保證供應,。對于器件前道部分尤其如此,。作者認為，需要通過全產業(yè)鏈的交流,，逐漸形成對于相關的產品的共識,，進而產生行業(yè)標準，利于器件廠家控制投資產能時的市場風險,，同時也有利于器件用戶的系統(tǒng)開發(fā)和供應鏈保證,。
市場上可見的SiC-SBD產品的技術現(xiàn)狀和發(fā)展前
下面從器件廠商的角度，針對產業(yè)鏈介紹一下目前市場上可見的各種SiC-SBD產品的技術現(xiàn)狀和發(fā)展前景,。
目前市場上SiC-SBD器件,，結構還較為簡單,。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,，最簡單設計也能到達遠遠優(yōu)于硅器件的指標，那么設計的考量就主要在工藝方面,。因此目前SiC-SBD器件的設計完全是工藝主導的,，并未專門化。純SBD器件的基本結構示意圖如圖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器件結構示意圖
純SBD是SiC-SBD器件早期主流結構,?？梢砸源藶榛A，討論SiC-SBD器件的成本,，特性和設計考量,。最下面的N元素高摻雜(N+)襯底是產品成本的主要部分，目前還未見我國廠家有能提供有商業(yè)競爭力的產品,。這也是制約我國SiC功率器件產業(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了目前整個器件總成本的大部分,。一般認為,，即使在規(guī)模化之后,，近期內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品,。至于4～6英寸的轉變,，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。所以用戶在選擇產品時,，不需要過多關注漏電水平,。
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,，這已經成為行業(yè)標準。除了以上2個主要指標,，SiC-SBD器件的產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果,。嚴格來說,，單級器件沒有反向恢復時間和電荷,。測出來的表觀反向恢復時間/電荷，是結電容和寄生電容的充電時間/電荷,。
這個電荷并不經過器件內電場,，所以不會在器件內發(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,，類似于反向恢復電荷。
正向浪涌：由于SiC-SBD的浪涌值遠低于相應的硅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雜性,。
反向雪崩能量(EAS)：SiC-SBD的反向雪崩耐量也低于相應的硅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，就是較滿意的結果,。在某些應用中,，反向雪崩在應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手冊中標明,，但是用戶應該了解所用產品EAS的基本情況。
在純SBD結構中,，N- 漂移層的材料質量(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，不足以導致明顯的成本差別,。
純SBD結構的SiC-SBD器件,，可以在普通的硅半導體產線上完成，不需要添加SiC特有的工藝設備,。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結構，轉向所謂的結勢壘肖特基(JBS)結構的原因[3],。雖然如此,，也有廠家通過精確的邊緣結構工藝控制，以略微犧牲反向漏電水平的代價,，獲得不遜于JBS結構的雪崩耐受能量,。在正向浪涌方面，純SBD結構因為設計非常簡單,，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力的耐受，從而有效改善了浪涌能力,，但是產品數據相對離散性較大,。
綜上所述，考慮到SiC器件的成本障礙,，以及在某些線路設計中對器件浪涌雪崩要求不高的事實,，筆者認為純SBD結構的SiC-SBD器件，在一段時間內仍有市場生命力,。只是需要用戶在應用系統(tǒng)的設計時,，針對到低成本器件的弱點，在線路設計上有所考慮和預備,。
圖3 場限環(huán)終端的JBS器件結構示意圖
由于純SBD結構的缺點,，目前市場上的SiC-SBD器件廠商，大部分提供的都是前述的JBS結構,。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產品較少采用臺階終端保護結構，而是以場限環(huán)和結終端擴展(JTE)為主,。圖3和圖4分別展示了這2種不同的終端設計,。
圖4 JTE終端的JBS器件結構示意圖
由于有了結勢壘(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注入區(qū)的導通面積,。而這個“損失”的導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)的產品都只能是JBS結構,。
與純SBD一樣,，JBS結構的器件，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注入區(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種常見的終端結構中,，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結構對光刻要求低,，器件的雪崩耐量高，但是需要多一次注入,，結電容大，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，從國內產線的設備情況來看,，僅就1 200V和600V電壓產品來說,，JTE結構更有可能占據主導地位。
市場上也曾出現(xiàn)其他類型的SiC-SBD結構，比如較復雜的[N-變摻雜+PN開窗+臺階JTE]結構,，但是筆者認為,，結構簡化標準化是近期產品主流趨勢。原因如下：
?、?其產品性能優(yōu)越性已經為市場證實,，形成了自己占優(yōu)勢的應用領域。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,，技術一定程度的透明化，積累應用經驗,，保障供應鏈穩(wěn)定,。
③各個產業(yè)鏈條的SiC廠商多年研發(fā)投入未能盈利,，為規(guī)避財務風險,，尚未積極投入產能擴張。
結語
綜上所述,，SiC-SBD器件的標準化條件已經接近成熟,，并且成為行業(yè)進一步發(fā)展的必然要求和推動因素。由于材料技術進步進展不大,，成本居高不下,，這一產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,，促進產業(yè)垂直整合和橫向專門化/標準化,。
除了組織引導之外，在具體的資源投入上,，以前業(yè)界曾經普遍認為財務激勵應當集中在應用環(huán)節(jié),，通過補貼鼓勵最末端的用戶使用國產器件，促進整個產業(yè)鏈的健康發(fā)展?，F(xiàn)在看來,，應用環(huán)節(jié)已經自發(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),，我國已經在國家產業(yè)戰(zhàn)略和商務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)范透明的產品領域,，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)在國內業(yè)界的各個環(huán)節(jié),，已經明顯看到這個局面的苗頭。