SiC功率半導(dǎo)體器件在近些年來(lái)的發(fā)展歷程！-國(guó)晶微半導(dǎo)體

    近年來(lái)，SiC功率器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝日趨完善，已經(jīng)接近其材料特性決定的理論極限，依靠Si器件繼續(xù)完善來(lái)提高裝置與系統(tǒng)性能的潛力十分有限。本文首先介紹了SiC功率半導(dǎo)體器件技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及市場(chǎng)前景，其次闡述了SiC功率器件發(fā)展中存在的問(wèn)題，最后介紹了SiC功率半導(dǎo)體器件的突破。

    SiC功率半導(dǎo)體器件技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀！

    1、碳化硅功率二極管

    碳化硅功率二極管有三種類型：肖特基二極管（SBD）、PiN二極管和結(jié)勢(shì)壘控制肖特基二極管（JBS）。由于存在肖特基勢(shì)壘，SBD具有較低的結(jié)勢(shì)壘高度。因此，SBD具有低正向電壓的優(yōu)勢(shì)。SiCSBD的出現(xiàn)將SBD的應(yīng)用范圍從250V提高到了1200V。同時(shí)，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(méi)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(kāi)關(guān)速度以及更小的體積和更輕的重量而備受關(guān)注。

    2、單極型功率晶體管，碳化硅功率MOSFET器件

    硅功率MOSFET器件具有理想的柵極電阻、高速的開(kāi)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。有文獻(xiàn)報(bào)道已成功研制出阻斷電壓10kV的SiCMOSFET。碳化硅MOSFET器件在3kV～5kV領(lǐng)域?qū)⒄紦?jù)優(yōu)勢(shì)地位。盡管遇到了不少困難，具有較大的電壓電流能力的碳化硅MOSFET器件的研發(fā)還是取得了顯著進(jìn)展。

    碳化硅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(kāi)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(bào)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(kāi)啟和關(guān)斷時(shí)間在幾十到幾百納秒。

    iC功率器件市場(chǎng)前景廣闊

    2014年全球Si功率器件市場(chǎng)規(guī)模約150億美元，其中SiC功率器件為1.2億美元，不到Si功率器件的1%。SiC器件2014年總市場(chǎng)規(guī)模約為1.33億美元，至2020年市場(chǎng)規(guī)?？蛇_(dá)4.36億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為22%。

    預(yù)測(cè)，至2025年：碳化硅MOSFET市場(chǎng)規(guī)模將會(huì)超越3億美元，成為僅次于碳化硅肖特基二極體的第二大碳化硅離散功率元件；SiCFETs與BJTs產(chǎn)品獲得市場(chǎng)信賴，但多應(yīng)用于專業(yè)或小眾產(chǎn)品，規(guī)模遠(yuǎn)低于SiCMOSFET市場(chǎng)；結(jié)合SiC二極管與SiIGBT所形成的混合式SiC功率模組，2015年該產(chǎn)品市場(chǎng)銷售額約為3，800萬(wàn)美元，預(yù)計(jì)2025年銷售額將會(huì)突破10億美元。

    SiC功率器件發(fā)展中存在的問(wèn)題

    1、在商業(yè)化市場(chǎng)方面：

    （1）昂貴的SiC單晶材料。由于Cree公司技術(shù)性壟斷，一片高質(zhì)量的4英寸SiC單晶片的售價(jià)約5000美元，然而相應(yīng)的4英寸Si片售價(jià)僅為7美元。如此昂貴的SiC單晶片已經(jīng)嚴(yán)重阻礙了SiC器件的發(fā)展。

    （2）Cree公司的技術(shù)壟斷。由于Cree公司在世界各國(guó)申請(qǐng)了許多專利，嚴(yán)重制約了其他公司在SiC領(lǐng)域的發(fā)展。

    2、在技術(shù)方面：

    （1）SiC單晶材料雖然在導(dǎo)致SiC功率半導(dǎo)體性能和可靠性下降的致命缺陷微管密度降低和消除方面近年來(lái)取得很大進(jìn)展，但位錯(cuò)缺陷等其他缺陷對(duì)元件特性造成的影響仍未解決。

    （2）SiC器件可靠性問(wèn)題。SiCMOSFET器件目前存在兩個(gè)主要技術(shù)難點(diǎn)沒(méi)有完全突破：低反型層溝道遷移率和高溫、高電場(chǎng)下柵氧可靠性。與SiMOSFET相比，體現(xiàn)不出SiCMOSFET的優(yōu)勢(shì)。

    （3）高溫大功率SiC器件封裝問(wèn)題。

    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(lái)預(yù)測(cè)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(guò)百、電壓過(guò)千。在短短的二十幾年間，IGBT從**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(wèn)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(guò)程?？梢?jiàn)SiC功率器件的發(fā)展也會(huì)有一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。

    無(wú)錫國(guó)晶微半導(dǎo)體技術(shù)有限公司是寬禁帶第三代半導(dǎo)體碳化硅SiC功率器件、氮化鎵GaN光電器件以及常規(guī)集成電路研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化的高科技創(chuàng)新型企業(yè)，從事碳化硅場(chǎng)效應(yīng)管，碳化硅肖特基二極管、GaN光電光耦繼電器、單片機(jī)集成電路等產(chǎn)品芯片設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與銷售并提供相關(guān)產(chǎn)品整體方案設(shè)計(jì)配套服務(wù)，總部位于江蘇省無(wú)錫市高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)，并在杭州、深圳和香港設(shè)有研發(fā)中心和銷售服務(wù)支持中心及辦事處。

    公司具有國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的研發(fā)實(shí)力，專注于為客戶提供高效能、低功耗、低阻值、品質(zhì)穩(wěn)定的碳化硅高低功率器件及光電集成電路產(chǎn)品，同時(shí)提供一站式的應(yīng)用解決方案和現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)支持服務(wù)，使客戶的系統(tǒng)性能優(yōu)異、靈活可靠，并具有成本競(jìng)爭(zhēng)力。

    公司的碳化硅功率器件涵蓋650V/2A-100A，1200V/2A-90A，1700V/5A-80A等系列，產(chǎn)品已經(jīng)投入批量生產(chǎn)，產(chǎn)品完全可以對(duì)標(biāo)國(guó)際品牌同行的先進(jìn)品質(zhì)及水平。先后推出全電流電壓等級(jí)碳化硅肖特基二極管、通過(guò)工業(yè)級(jí)、車規(guī)級(jí)可靠性測(cè)試的碳化硅MOSFET系列產(chǎn)品，性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，應(yīng)用于太陽(yáng)能逆變電源、新能源電動(dòng)汽車及充電樁、智能電網(wǎng)、高頻電焊、軌道交通、工業(yè)控制特種電源、國(guó)防軍工等領(lǐng)域。由于其具有高速開(kāi)關(guān)和低導(dǎo)通電阻的特性，即使在高溫條件下也能體現(xiàn)優(yōu)異的電氣特性，大幅降低開(kāi)關(guān)損耗，使元器件更小型化及輕量化，效能更高效，提高系統(tǒng)整體可靠性，可使電動(dòng)汽車在續(xù)航里程提升10%，整車重量降低5%左右，并實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)用充電樁的高溫環(huán)境下安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

    特別在高低壓光耦半導(dǎo)體技術(shù)方面更是擁有業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的研發(fā)團(tuán)隊(duì)。在國(guó)內(nèi)創(chuàng)先設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了28nm光敏光柵開(kāi)關(guān)PVG芯片技術(shù)，并成功量產(chǎn)應(yīng)用于60V、400V、600V高低壓、低內(nèi)阻、低電容的光電耦合繼電器芯片、涵蓋1500kVrmsSOP超小封裝及3750kVrms隔離增強(qiáng)型常規(guī)SMD、DIP等不同封裝，單路、雙路、混合雙路、常開(kāi)常閉等電路產(chǎn)品，另包括200VSOIMOS/LIGBT集成芯片、100VCMOS/LDMOS集成芯片、8bit及32bit單片機(jī)等集成電路產(chǎn)品，均獲得市場(chǎng)及各重點(diǎn)科研單位、檢測(cè)機(jī)構(gòu)的新產(chǎn)品認(rèn)定。

    公司核心研發(fā)團(tuán)隊(duì)中大部分工程師擁有碩士及以上學(xué)位，并有多名博士主持項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)。公司建立了科技創(chuàng)新和知識(shí)產(chǎn)權(quán)管理的規(guī)范體系，在電路設(shè)計(jì)、半導(dǎo)體器件及工藝設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、器件模型提取等方面積累了眾多核心技術(shù)，擁有多項(xiàng)國(guó)際、國(guó)內(nèi)自主發(fā)明專利。

    “國(guó)之重器，從晶出發(fā)，自強(qiáng)自主，成就百年”是國(guó)晶微半導(dǎo)體的企業(yè)目標(biāo)，我們?yōu)閱T工提供精彩的發(fā)展空間，為客戶提供精良的產(chǎn)品服務(wù)，我們真誠(chéng)期待與您攜手共贏未來(lái)。