解密罗姆/意法半导体/英飞凌/科锐 为何发力SiC功率元器件？（转）

解密罗姆/意法半导体/英飞凌/科锐

为何发力SiC功率元器件？

炙手可热的SiC功率元器件究竟是何方神圣？为何世界巨头公司罗姆、意法半导体、英飞凌、科锐纷纷发力于它？如今电子世界风云变幻，这或许是一场改变战局的机会？

第三代半导体材料以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表，因其禁带宽度(Band gap) Eg≥3.0电子伏特（eV），又被称为宽禁带半导体材料。除了碳化硅(SiC) 、氮化镓( GaN)，氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)也是宽禁带半导体材料。而从目前第三代半导体材料和器件的研究来看，最成熟的是SiC半导体材料，其次是GaN，氧化锌、金刚石、氮化铝等材料的研究尚属起步阶段。本篇文章让我们一起了解功率元器件中的“大圣”——SiC功率元器件。

“大圣”的七十二地煞术

SiC材料与Si的特性对比

1、坐火——耐高温

由于半导体材料的禁带宽度决定器件的工作温度，禁带宽度越大，器件的工作温度越高。因此，普通Si只能达到150℃~200℃，SiC器件的工作温度可以高达600℃，并具有极好的抗辐射性能。一些要求在350~500℃下工作的高温集成电路，比如，航空设备(涡轮发动机、飞行器的电气自动化)、核能仪器、卫星、空间探测器、地热井等场景下，SiC器件都能得到广泛的应用。

SiC材料比Si材料热导率高近3倍。SiC材料制作的集成电路可以减小甚至不用散热系统，可以有效的减轻体积和重量，大大提高系统集成度。并能在高温和高辐射的环境中改善系统的稳定性和可靠性。这正符合航空二次电源对体积、重量、可靠性等方面的高标准要求。

2、担山——耐高压

SiC的击穿场强高，SiC的击穿电场约为2.8MV/cm，这个值大约是Si材料（0.3MV/cm）的10倍。这使得SiC功率半导体器件的最高工作电压比同类的Si器件高得多，如Si肖特基二极管最高阻断电压在一两百伏，而SiC肖特基二极管的阻断电压最高已经达到1700V。因此，SiC的高击穿场强特性使其更容易实现航空系统中对功率半导体器件的耐高压的要求，譬如可以用SiC制作击穿电压很高的PIN二极管和IGBT。

3、神行——更高频高效

SiC材料的最大电子饱和速度是Si材料的2倍，有更高的电流密度和更快的开关速度，适合于高频和大功率应用。

功率半导体器件的比导通电阻跟材料击穿电场的立方成反比，SiC具有比Si材料高一个数量级的击穿电场，因此SiC器件有更小的比导通电阻。在相同击穿电压下，SiC器件的比导通电阻理论值只有Si器件的百分之一。低的比导通电阻会减小损耗，带来系统效率的提高。在相同电压和芯片尺寸下，SiC器件可以降低90%的电阻，产生更少的散热。

4、壶天——更小尺寸

关于SiC器件的“低阻值”可以单纯解释为减少损耗，但阻值相同的话就可以缩小元件（芯片）的面积。应对大功率时，有时会使用将多个晶体管和二极管一体化的功率模块。例如，SiC功率模块的尺寸可达到仅为Si的1/10左右。关于“高速工作”，通过提高开关频率，变压器、线圈、电容器等周边元件的体积可以更小。实际上有能做到原有1/10左右的例子。关于“高温工作”是指容许在更高温度下的工作，可以简化散热器等冷却机构。

所以说，基于SiC功率器件阻断电压高、工作频率高、耐高温工作能力强，同时又具有开关损耗小和比导通电阻低等优势，采用其可以大大降低装置的功耗、缩小装置的体积。

SiC帮助器件实现小型化

碳化硅（SiC）是一种宽带隙材料，与硅相比，具有许多优点。不过，宽带隙材料比硅基材料的量产难度更高。接下来，我们要来谈谈有实力拥有SiC功率元器件产品线的知名企业。

技术的发展是历史的必然

当历史的车轮来到千禧年。碳化硅终于迎来了历史的突破。在2001年，德国英飞凌（Infineon）公司率先发布碳化硅肖特基功率二极管产品，同年美国Cree公司也实现了碳化硅肖特基功率二极管的产业化。由于碳化硅晶体管的技术难度大，产业化进度落后于二极管。2010年，日本Rohm公司首先量产SiC MOSFET产品，2011年美国Cree公司开始销售SiC MOSFET产品。而由于SiC IGBT和GTO等器件的生产技术难度更大，仍处于研发阶段，距离产业化有较大的差距。SiC JBS二极管和MOSFET晶体管由于其性能优越，成为目前应用最广泛、产业化成熟度最高的碳化硅功率器件。

目前，国际上主要的碳化硅功率器件产业化公司有美国Wolfspeed、德国Infineon、日本Rohm、欧洲的意法半导体（STMicroelectronics）、日本三菱（Mitsubishi），这几家大公司约占国际市场的90 %. 另外，美国通用电气（GE）、日本丰田（Toyota）、日本富士（Fuji）、日本东芝（Toshiba）、MicroSemi、USCi、GeneSiC等公司也开发了碳化硅功率器件产品。

在SiC二极管产品方面，美国Wolfspeed（包括Cree）、德国Infineon公司已经推出了五代SiC JBS产品；其中Wolfspeed的第四代及以前的产品为平面型，第五代为沟槽型，并且在第五代650V器件中采用了晶圆减薄工艺将碳化硅晶圆由370μm减薄至180μm，进一步提高了器件的性能。罗姆公司开发了三代SiC二极管，最新产品也采用了沟槽型结构。Infineon公司的前四代SiC二极管以600V、650V产品为主，从第五代开始推出1200V产品，即将推出第六代低开启电压的SiC JBS产品。

在SiC MOSFET器件方面，Wolfspeed公司推出600V、1200V和1700V共三个电压等级、几十款平面栅MOSFET器件产品，电流从1A～50A不等；2017年3月，美国Wolfspeed公司发布了900V/150A的SiC MOSFET芯片，是目前单芯片电流容量最大的SiC MOSFET产品；罗姆公司的SiC MOSFET产品有平面栅和沟槽栅两类，电压等级有650V和1200V；意法半导体开发了650V和1200V两个电压等级的SiC MOSFET产品，Infineon公司也推出了沟槽栅的1200V SiC MOSFET产品。另外，GeneSiC公司开发了1200V和1700V的SiC BJT产品，Infineon和USCi公司开发了1200V的SiC JFET产品。在研发领域，国际上已经开发了10kV以上的JBS、MOSFET、JFET、GTO等器件样品，以及20kV以上的PiN、GTO和IGBT器件样品，由于受到碳化硅材料缺陷水平、器件设计技术、芯片制造工艺、器件封装驱动技术以及市场需求的制约，以上高压器件短期内无法实现产业化。

盘点那些在SiC功率元器件领域的佼佼者

罗姆（ROHM）

与其他SiC厂商相比，罗姆的最大优势在于是一条龙的生产体制。罗姆于2000-2002年开始SiC的基础实验，在2009年时ROHM收购了生产SiC晶圆制造商德国SiCrystal公司，有了它提供材料，ROHM会在德国完成晶圆，然后在日本的福冈、京都做芯片的封装和SiC模组，据介绍，ROHM是全球屈指可数的进行碳化硅功率器件一条龙生产的厂家。

罗姆从2010年在日本率先开始了SiC SBD量产，全球第一SiC MOS量产，2012年全SiC模块全球第一量产，到2015年全球首发沟槽型SiC MOS量产。

沟槽型MOSFET最大的不同在于它的门极部分为沟槽结构，可提高cell密度，从而打造导通损耗更低、开关性能更好的元器件。其导通电阻与平面型SiC-MOSFET相比降低约50%，同时输入电容降低约35%，有效地提高了开关性能。基于沟槽结构SiC-MOSFET的优势，罗姆又开发出采用该器件的“全SiC”功率模块。模块内部电路为二合一（2in1）结构，采用SiC-MOSFET及SiC-SBD，额定电压为1200V，额定电流达到180A。与同等水平额定电流的Si-IGBT模块产品相比，有很大优势。即使与使用平面型SiC-MOSFET的“全SiC”模块相比，其开关损耗也降低约42%。这将大幅降低太阳能发电用功率调节器和工业设备用电源、工业用逆变器等所有相关设备的功率损耗，对于太阳能发电用功率调节器和工业设备用电源等所有设备的节能化、小型化、轻量化起着关键性的作用。

英飞凌（Infineon）

全球唯一一家提供硅(Si)、碳化硅(SiC)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)和氮化镓(GaN)器件的公司。

全球第一家基于SiC二极管的公司，2001年已在市场上推出SiC二极管，随后2006年全球首个包含SiC元件的商用电源模块。同时，第五代此类零件可作为分立器件提供。

英飞凌是全球首个碳化硅分立电源供应商。碳化硅材料与硅材料的特性差异限制了100V-150V实际硅单极二极管（肖特基二极管）的制造，导通电阻和漏电流相对较高。在碳化硅材料中，肖特基二极管可以达到更高的击穿电压。英飞凌碳化硅产品系列覆盖 600V 和 650V 到 1200V 的肖特基二极管。

CoolSiC™ MOSFET是首款产品面向光伏逆变器、电池充电设备及储能装置。英飞凌目前提供最大1200伏的CoolSiC™ 碳化硅(SiC) MOSFET。SiC MOSFET优势包括1200V级开关中最低的门极电荷和器件电容电平、反并联二极管无反向恢复损耗、低切换损耗不受温度影响以及无阈值导通特性。

CoolSiC™ 混合模块目前覆盖650V、1200V。基于 CoolSiC™ 的模块（包括采用半桥的碳化硅晶体管）完善了电源设计的选项。除提供更高的开关频率外，由于碳化硅JFET具有双向导通能力，所以该模块具有很高的灵活性。因此，它可以用作升压/降压、双向转换器或逆变器的一部分。无论应用程序的功率如何，因给凌的电源模块碳化硅产品系列都可以实现更高效的设计，可以覆盖从类似 EasyPACK™ 1B/2B 的封装到类似 PrimePACK™的更大封装。

英飞凌全力研发推出CoolSiC™半导体解决方案，将为以下几大重点应用领域带来全新突破：
光伏：更高效的利用能源，使转化效率提高至99％以上电动车充电：提高功率密度、减轻重量、缩小体积，30分钟完成充电，续航达500公里电机领域：SiC MOSFET可以降低损耗及噪音，有望减少55%的逆变器体积及重量电源应用：提高功率密度和效率，提升性能及可靠性

意法半导体（ST）

意法半导体从1996年开始从事碳化硅技术研发。并于2004年开始生产其首款SiC二极管。2009年，意法半导体的第一款SiC MOSFET投产，此后又增加了1200V的SiC MOSFET和功率肖特基二极管，以完善原来的650V产品组合。

意法半导体的碳化硅二极管产品系列电压范围从600到1200V，包括单、双二极管。它们有多种封装，从DPAK到TO-247以及绝缘的TO-220AB/AC，为设计者们提供了极大的灵活性，具有高效、稳定和快速投放市场等优势。相比于硅，碳化硅有优越的物理属性，SiC肖特基整流器具有好于4倍的动态特性和降低15%的前向电压（VF）。意法半导体的SiC二极管显示了显著的功耗降低，通常用于硬开关应用，如高端服务器和电信供电，它还能用于太阳能逆变器、电机驱动器和无中断供电（UPS）。ST 的汽车级650V SiC二极管–具有AEC-Q101认证和PPAP能力–具有市场上最低的前向压降（VF），在电动车辆（EV）应用中具有最优的效率。

650V至1700V碳化硅MOSFET具有行业内最高的温度额定值200℃，即使在高温条件下，其RDS（on）的变化也非常小。采用先进的封装，具有很宽的击穿电压范围（-100~1700V）、低栅极电荷和低导通电阻。总功率损耗显著降低，令系统更有效、更小、更轻。即使在高温时，它们也具有每区域超低的导通状态电阻，与最佳的硅技术相比，它们有卓越的开关性能，随温度变化最小。

科锐（Cree）

Wolfspeed是SiC肖特基二极管、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）分立元件以及模块的先驱公司，提供从900V到1700V的全系列SiC产品。不同于其它制造商（如罗姆）采用沟槽结构实现1200V产品和采用平面结构实现1700V产品，Wolfspeed则采用平面结构实现所有电压的产品。而且，Cree能够实现独特的三重（triple implantation）注入工艺和硅化物源极触点，以提高接触电阻。

作为SiC市场的领头羊，并且作为第一家能生产75mm，100mm和现在的150mm SiC晶圆的企业，Wolfspeed（科锐）提供了绝大部分正在使用的SiC晶圆，在业内地位超绝。科锐旗下电源和RF部门Wolfspeed同罗姆一样，垂直整合了从衬底到模组的SiC功率半导体。Wolfspeed拥有最广泛的SiC肖特基二极管产品组合，拥有超过6万亿小时的工作时间，最低的FIT率，以及30多年的碳化硅经验，以及最快的交付时间。二极管采用MPS（Merged PiN Schottky）设计，比标准肖特基势垒二极管更坚固可靠。将Wolfspeed SiC二极管与SiC MOSFET配对可以在一起购买时实现更高效率和更低元件价格的强大组合。

Wolfspeed MOSFET可实现更高的开关频率，并减小电感器、电容器、滤波器和变压器等元件的尺寸。SiC MOSFET替代硅器件具有更高的阻断电压（>1700V），额定电流>1800V的雪崩以及更低的开关和传导损耗。应用在太阳能、电动车充电、电机驱动、工业电源、IT电源、运输等领域。

Wolfspeed是一家完全集成的材料供应商，拥有最大和最多样化的产品组合。N型—SiC衬底产品，晶圆直径可达150mm；高压安注—半绝缘SiC衬底产品，晶圆直径可达150mm；在SiC衬底上生产N型和P型SiC外延层，并且具有从亚微米到>200μm的最宽可用层厚度；在SiC衬底上产生氮化物外延——GaN，AlxGa1-xN和Al1-y InyN外延层。Wolfspeed的材料使设备能够为可再生能源，基站和电信，牵引，工业电机控制，电源管理和汽车应用提供动力。

总结

如今随着技术的进步，SiC功率器件尺寸已从4英寸升级到6英寸，甚至8英寸，产业化水平不断提高的同时，成本也在迅速下降。Yole公司预测，到2020年碳化硅器件的市场规模达到35亿元人民币，并以超过40%的复合年均增长率继续快速增长。预计到2025年，全球碳化硅功率器件市场规模将超过150亿元人民币，到2030年，全球碳化硅功率器件市场规模将超过500亿元人民币。国内碳化硅器件的市场约占国际市场的40%~50%。

未来SiC功率器件的应用领域也将逐渐扩大，不仅在国防、航空、航天、石油勘探、光存储等领域有着重要应用前景，在宽带通讯、太阳能、汽车制造、半导体照明、智能电网、轨道交通、电动汽车、新能源并网、通讯电源等领域也将大显身手。相信随着越来越多厂商的入局，SiC功率器件的技术会更加完善，这一系列的发展也将对解决节能环保问题，造福人类社会具有里程碑式的意义。