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(dá)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(rèn)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(jìn)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(dá)成戰(zhàn)略合作，共同推進(jìn)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(jìn)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(tuán)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(biāo)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(dá)到國際領(lǐng)先水平，其中短路耐受時間更是長達(dá)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(biāo)“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(jìn)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(jìn)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(hù)、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(tuán)、愛發(fā)科集團(tuán)和強茂集團(tuán)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)?？蛇_(dá)30萬,、每年可達(dá)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(tuán)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(dá)到預(yù)期,，為進(jìn)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(dá)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,。