純硅功率半導(dǎo)體有著令人羨慕的性能與市場成績，然而,，對于高要求的功率開關(guān)和控制的應(yīng)用上,，它似乎已經(jīng)到達(dá)了極限。在越來越多的功率電子學(xué)應(yīng)用中,，碳化硅 （SiC） 功率器件日益普遍,，尤其是在太陽能逆變器的設(shè)計(jì)中,。設(shè)計(jì)工程師尤為青睞 SiC肖特基二極管，用于開發(fā)新的逆變器設(shè)計(jì),，因?yàn)檫@比采用硅功率器件的逆變器更緊湊,、更高效、更可靠,。自從 SiC 二極管引入市場十多年來,，無論是器件設(shè)計(jì)還是可靠性參數(shù)都經(jīng)歷了巨大的演進(jìn)變化。這些變化為商業(yè)市場帶來了更廣泛的 SiC產(chǎn)品組合,。碳化硅（SiC）,，作為一種新型化合物半導(dǎo)體材料，具有潛在的優(yōu)點(diǎn)：更小的體積,、更高的效率,、更低的開關(guān)損耗與漏電流、比純硅半導(dǎo)體更高的開關(guān)頻率以及在標(biāo)準(zhǔn)的125℃結(jié)溫以上工作的能力,。小型化和高工作耐溫使得這些器件的使用更加自如,，甚至可以將這些器件直接置于電機(jī)的外殼內(nèi)。
功率半導(dǎo)體的SiC之路
圖1 SiC JFET
SiC功率半導(dǎo)體器件發(fā)展歷程
任何一種新技術(shù)都會經(jīng)歷由發(fā)展到成熟的過程,，SiC 也不例外,。標(biāo)準(zhǔn)功率開關(guān)，如絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）,，有很大的產(chǎn)品基礎(chǔ)和優(yōu)化的生產(chǎn)技術(shù),。而SiC 卻需要投入大量經(jīng)費(fèi)和研發(fā)資金來解決材料問題和完善半導(dǎo)體制造技術(shù)。然而這種功率開關(guān)器件,，能夠在正向?qū)ù箅娏骱头聪蚪刂骨Х妷褐g快速執(zhí)行開關(guān)動作,，這樣的性能是值得我們一試的。SiC 最初的成功應(yīng)用和主要應(yīng)用為發(fā)光二極管,，用于汽車頭燈和儀表盤其他照明場合,。其他的市場包括開關(guān)電源和肖特基勢壘二極管。將來會應(yīng)用到包括混合動力車輛,、功率轉(zhuǎn)換器和交流/ 直流電機(jī)控制上,。這些更高要求的應(yīng)用還沒有商業(yè)化，因?yàn)樗鼈冃枰哔|(zhì)量的材料和大規(guī)模的生產(chǎn)力來降低成本,。在全世界范圍內(nèi),，大量的研究經(jīng)費(fèi)投入到了公司和實(shí)驗(yàn)室，以使SiC 技術(shù)更加可行,。一些專家預(yù)言,，SiC技術(shù)的商業(yè)化、工業(yè)化甚至軍工應(yīng)用將在2 到5 年或者更遠(yuǎn)的時(shí)間內(nèi)變成現(xiàn)實(shí),。電機(jī)控制生產(chǎn)商對于SiC 的發(fā)展特別有興趣,，有些甚至與研究人員和半導(dǎo)體生產(chǎn)商進(jìn)行合作來促進(jìn)SiC 的發(fā)展。
功率半導(dǎo)體的SiC之路
圖2 SiC 二極管發(fā)展歷程
SiC功率器件市場前景廣闊
SiC 是GaN 之外另外一種第三代半導(dǎo)體材料,，由于性能不同,，二者的應(yīng)用領(lǐng)域也不相同。GaN 主要用在微波器件上,，而SiC 則主要作為大功率高頻功率器件,。以SiC 為材料的二極管、IGBT,、MOSFET 等器件,，未來有望在新能源汽車等領(lǐng)域取代Si功率器件。目前SiC 二極管價(jià)格是Si 二極管價(jià)格的5-7 倍,，SiC 結(jié)晶場效應(yīng)管價(jià)格是Si 結(jié)晶場效應(yīng)管價(jià)格的5-7 倍,，SiC MOSFET價(jià)格是Si MOSFET價(jià)格的10-15 倍。因此若要SiC 產(chǎn)業(yè)迅速崛起,，除了技術(shù)的不斷進(jìn)步之外,，降低成本亦尤為關(guān)鍵。
功率半導(dǎo)體的SiC之路
圖3 SiC 和 GaN 取代現(xiàn)有硅功率器件向的方
2014 年全球SiC 功率半導(dǎo)體市場僅為約2 億美元,，規(guī)模尚小,，其應(yīng)用領(lǐng)域也主要在電力供應(yīng)、太陽能逆變器等領(lǐng)域,。而未來,，隨著新能源汽車和工業(yè)電機(jī)不斷采用SiC 材料，在8-10 年的范圍內(nèi),，SiC 半導(dǎo)體市場容量有望超過20 億美元,。目前全球SiC 半導(dǎo)體市場處于絕對領(lǐng)先的企業(yè)是Cree，占據(jù)了85%以上的市場份額,。
功率半導(dǎo)體的SiC之路
圖4 全球 SiC 功率半導(dǎo)體市場規(guī)模預(yù)測
SiC功率器件路途坎坷
并不是每一個(gè)人都同意碳化硅功率器件的應(yīng)用前景,。ABB公司是高功率半導(dǎo)體的專家，但是在2002年,，瑞典的聯(lián)合開發(fā)中心,，終止了SiC 開發(fā)項(xiàng)目。公司半導(dǎo)體研發(fā)部對于此舉措的一個(gè)解釋是由Basel 平面斷層導(dǎo)致的雙極導(dǎo)通衰減效應(yīng),，這反映了單純基于高電壓/高功率應(yīng)用的SiC器件的前景并不明朗,。ABB Switzerland Semiconductors研發(fā)部的總工程師說：“碳化硅短期上適合低電壓單極型二極管，它也有潛力用于高頻場合中的低功率雙極晶體管和結(jié)型場效應(yīng)晶體管,。SiC從長遠(yuǎn)上看,，它在高壓應(yīng)用領(lǐng)域還是比其他種類的開關(guān)器件更值得關(guān)注的。”
對于SiC技術(shù)的快速開關(guān)能力,，ABB Semiconductors 認(rèn)為,，這種高頻工作能力僅在低雜散電感的環(huán)境中才適用，例如低功率/ 低壓系統(tǒng)中,。在高功率系統(tǒng)中,，雜散電感很大，要求半導(dǎo)體緩慢地執(zhí)行開關(guān)動作,。對于SiC器件,，這就意味著讓它慢慢地開關(guān)，以適應(yīng)緩沖器的要求,，這會重新引入損耗,，而這些損耗原本就是試圖采用昂貴的SiC 器件來消除的。
另外,，現(xiàn)在SiC底層材料的價(jià)格是普通Si材料的100 倍（對于3 英寸的SiC晶片）,，將來或許會降至10倍。雖然SiC 晶片的質(zhì)量有所提升,，器件生產(chǎn)商可以適用更小的模具,，同時(shí)保證產(chǎn)量，但是更大尺寸的模具的產(chǎn)量就很低了,。相對于晶片直徑6英寸和12英寸的單片集成電路二極管器件,，4 英寸的SiC晶片，質(zhì)量仍舊很差,。Si晶片的生產(chǎn)次品率很低,，領(lǐng)先SiC 功率器件5 到10 年。對于高功率SiC 器件的時(shí)間線可能更長,。其他的開發(fā)人員也意識到了SiC 的缺點(diǎn),，但是仍在繼續(xù)開發(fā)并試圖改進(jìn)。
功率半導(dǎo)體的SiC之路期待突破
電力電子器件的發(fā)展歷史大致可以分為三個(gè)大階段：硅晶閘管（可控硅）,、IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）和剛顯露頭角的碳化硅（SiC）系列大功率半導(dǎo)體器件,。晶閘管發(fā)展已有近六十年歷史，技術(shù)成熟也得到廣泛應(yīng)用,，可以借鑒它的歷史來預(yù)測碳化硅功率器件,。想當(dāng)初IGBT興起時(shí)，與晶閘管參數(shù)指標(biāo)相差極大,，晶閘管已能做到2-3KV,、2-3KA時(shí)，IGBT僅僅是電流過百,、電壓過千,。在短短的二十幾年間,，IGBT從第一代迅速發(fā)展到第六代，電壓和電流已與晶閘管并駕齊驅(qū),，顯示出IGBT優(yōu)越性能,。晶閘管能干的IGBT全能干、IGBT能干的晶閘管干不了,，在相當(dāng)大的一片應(yīng)用領(lǐng)域里IGBT因其不可替代的優(yōu)越性能獨(dú)居鰲頭,。但是晶閘管仍以其比較高的性價(jià)比守住了自己的大片陣地。碳化硅材料技術(shù)的進(jìn)展已使部分碳化硅功率器件用于實(shí)際成為可能,。但還有許多關(guān)鍵的技術(shù)問題需要解決。晶閘管電流從小到大,、電壓從低到高經(jīng)歷了數(shù)十年的風(fēng)風(fēng)雨雨,，IGBT也有這樣的一個(gè)不凡的過程?？梢奡iC功率器件的發(fā)展也會有一個(gè)漫長的過程,。