碳化硅器件及其發(fā)展現(xiàn)狀

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2022-03-17 07:03:57 10

碳化硅為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體，可在更高溫度、電壓及頻率環(huán)境正常工作，同時消耗電力更少，持久性和可靠性更強，將為下一代更小體積、更快速度、更低成本、更高效率的電力電子產(chǎn)品提供飛躍的機遇。

碳化硅電力電子器件技術(shù)的進(jìn)步及產(chǎn)業(yè)化，將在高壓電力系統(tǒng)開辟全新應(yīng)用，對電力系統(tǒng)變革產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。碳化硅電力電子器件優(yōu)異的高效、高壓、高溫和高頻特性，使其在家用電器、電機節(jié)能、電動汽車、智能電網(wǎng)、航天航空、石油勘探、自動化、雷達(dá)與通信等領(lǐng)域有很大應(yīng)用潛力。

碳化硅電力電子器件介紹

1. 碳化硅(SiC)的定義

碳化硅(SiC)電力電子器件是指采用第三代半導(dǎo)體材料SiC制造的一種寬禁帶電力電子器件，具有耐高溫、高頻、高效的特性。按照器件工作形式，SiC電力電子器件主要包括功率二極管和功率開關(guān)管。功率二極管包括結(jié)勢壘肖特基(JBS)二極管、PiN二極管和超結(jié)二極管;功率開關(guān)管主要包括金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)開關(guān)管(MOSFET)、結(jié)型場效應(yīng)開關(guān)管(JFET)、雙極型開關(guān)管(BJT)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)和發(fā)射極可關(guān)斷晶閘管(ETO)等。

2. 技術(shù)優(yōu)勢

碳化硅半導(dǎo)體的優(yōu)異性能使得基于碳化硅的電力電子器件與硅器件相比具有以下突出的優(yōu)點：

（1）具有更低的導(dǎo)通電阻。在低擊穿電壓(約50V)下，碳化硅器件的比導(dǎo)通電阻僅有1.12uΩ，是硅同類器件的約1/100。在高擊穿電壓(約5kV)下，比導(dǎo)通電阻提高到25.9mΩ，卻是硅同類器件的約1/300。更低的導(dǎo)通電阻使得碳化硅電力電子器件具有更小的導(dǎo)通損耗，從而能獲得更高的整機效率。

（2）具有更高的擊穿電壓。例如：商業(yè)化的硅肖特基二極管通常耐壓在300V以下，而*商業(yè)化的碳化硅肖特基二極管的電壓定額就已經(jīng)達(dá)到了600V ; *商業(yè)化的碳化硅MOSFET 電壓定額為1200V，而常用的硅MOSFET大多在1kV以下。

（3）更低的結(jié)-殼熱阻，使得器件的溫度上升更慢。

（4）更高的極限工作溫度，碳化硅的極限工作穩(wěn)定可有望達(dá)到600℃以上，而硅器件的最大結(jié)溫僅為150℃。

（5）更強的抗輻射能力，在航空等領(lǐng)域應(yīng)用可以減輕輻射屏蔽設(shè)備的重量。

（6）更高的穩(wěn)定性，碳化硅器件的正向和反向特性隨溫度的變化很小。

（7）更低的開掛損耗。碳化硅器件開關(guān)損耗小，在幾十千瓦功率等級能夠工作在硅器件難以實現(xiàn)的更高開關(guān)頻率(>20kHz)狀態(tài)。

3. 主要分類

（1）碳化硅肖特基二極管

肖特基勢壘二極管(SBD)作為一種單極性器件，在導(dǎo)通過程中沒有額外載流子注入和儲存，因而基本沒有反向恢復(fù)電流，其關(guān)斷過程很快，開關(guān)損耗很小。但是硅的肖特基勢壘較低，硅SBD 的反向漏電流偏大，阻斷電壓較低，只能用于一二百伏的低壓場合在電壓較高的場合通常采用PiN 二極管，但其反向恢復(fù)電流較大，開關(guān)損耗大。由于碳化硅材料的臨界雪崩擊穿電場強度較高，制作反向擊穿電壓超過1000V的碳化硅SBD 相對比較容易。

基于SiC 的這些獨特優(yōu)勢，Cree 等半導(dǎo)體器件商生產(chǎn)出單個器件電流等級1-20A，電壓等級為300V、600V 和1200V 的高壓SiC 肖特基二極管產(chǎn)品，表1給出了目前國際上主要的碳化硅SBD 制造商和其商業(yè)化器件的水平，其中Cree 公司剛剛推出其最新的1700V 電壓等級的碳化硅SBD。在高壓開關(guān)應(yīng)用中，SiC 肖特基二極管能提供近乎理想的性能。它幾乎沒有正向恢復(fù)電壓，因而能夠立即導(dǎo)通，不同于結(jié)電容，它的儲存電荷也非常小，能迅速關(guān)斷。

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（2）碳化硅功率晶體管

美國SemiSouth 公司對碳化硅JFET 進(jìn)行了深入的研究，是目前國際上商業(yè)化碳化硅JFET 器件的主要供應(yīng)商，其SiC JFET 產(chǎn)品的最高電壓定額達(dá)到1700V，最大電流定額為30A。

由于硅MOSFET 的優(yōu)越特性和成功應(yīng)用，碳化硅MOSFET 成為碳化硅電力電子器件研究中最受關(guān)注的器件。美國的Cree 公司率先在碳化硅MOSFET 研究方面取得突破，推出了10A/1200V 和20A/1200V 兩款商業(yè)化的碳化硅 MOSFET 產(chǎn)品，成為目前國際上*提供商業(yè)化分立碳化硅MOSFET 的廠商。日本的羅姆公司也正在積極推進(jìn)其碳化硅MOSFET 的商業(yè)化進(jìn)程。這些最初的SiC N 溝道DMOSFET 主要針對1200V 的應(yīng)用場合，這個電壓等級SiC MOSFET比現(xiàn)在的Si 器件具有更大的優(yōu)勢。

碳化硅器件在國外的發(fā)展現(xiàn)狀1. 美國

早在1997年制定的“國防與科學(xué)計劃”中，美國就明確了寬禁帶半導(dǎo)體的發(fā)展目標(biāo)。2014年，奧巴馬總統(tǒng)親自主導(dǎo)成立了以SiC為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，全力支持寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)，以引領(lǐng)下一代電力電子制造業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新。該聯(lián)盟目前已獲得聯(lián)邦和地方政府總計1.4億美元支持，計劃在未來5年里，使寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)在成本上具有與當(dāng)前硅基電力電子技術(shù)競爭的能力，成為下一代節(jié)能、高效大功率電力電子芯片和器件，引領(lǐng)包括消費類電子、工業(yè)設(shè)備、通訊、清潔能源等在內(nèi)的，多個全球最大規(guī)模、最快增長速度的產(chǎn)業(yè)市場，*提升國際競爭力并創(chuàng)造高薪就業(yè)機會。

2. 日本

從1998年開始，日本政府持續(xù)資助寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)研究。2013年，日本將SiC材料體系納入“首相戰(zhàn)略”，認(rèn)為未來50%的節(jié)能要通過SiC器件來實現(xiàn)，以便創(chuàng)造清潔能源的新時代。近幾年，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)(NEDO)啟動了SiC電力電子器件相關(guān)的研究計劃，重點針對SiC功率模塊在鐵路機車電路系統(tǒng)、多樣性電力交換系統(tǒng)、發(fā)電電動一體渦輪增壓機廢熱回收系統(tǒng)、*醫(yī)療設(shè)備和加速器小型化等領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行研究，以實現(xiàn)節(jié)能、增效的目標(biāo)。

3. 歐盟

2014年，歐盟啟動為期3年(2014—2017年)的，應(yīng)用于高效電力系統(tǒng)的SiC電力技術(shù)研究計劃(SPEED)，總投入達(dá)1858萬歐元，7個*的12家研究機構(gòu)和企業(yè)參與了該計劃。該計劃目標(biāo)是通過匯集**的制造商和研究人員來聯(lián)合攻克SiC電力電子器件技術(shù)，突破SiC電力電子器件全產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)在可再生能源領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。2015年，德國聯(lián)邦研究部資助卡爾斯魯厄理工學(xué)院和工業(yè)界合作伙伴(資助金額80萬歐元)，開展基于SiC開關(guān)器件提升高頻電源能效的研究，以提升工業(yè)生產(chǎn)中電源的能效，降低能源消耗和減少CO2排放。03

碳化硅器件在國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀

1、泰科天潤

泰科天潤成立于2011年，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。

在2015年，泰科天潤宣布推出了一款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、*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。

2、深圳基本半導(dǎo)體

深圳基本半導(dǎo)體成立于2016年，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SiC MOSFET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。

基本半導(dǎo)體在2018年10月正式發(fā)布的1200V碳化硅MOSFET，是*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*水平，其中短路耐受時間更是長達(dá)6μs。

3、揚杰科技

揚杰科技專業(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。

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)。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)模可達(dá)30萬、每年可達(dá)360萬顆。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)。瑞能半導(dǎo)體一直專注于研發(fā)行業(yè)*的、廣泛且深入的雙極功率半導(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，*片國產(chǎn)6英寸SiC MOSFET晶圓正式誕生。

碳化硅器件的典型應(yīng)用1. 5G基建——通信電源

通信電源是服務(wù)器、基站通訊的能源庫，為各種傳輸設(shè)備提供電能，保證通訊系統(tǒng)正常運行。碳化硅MOSFET的高頻特性使得電源電路中的磁性單元體積更小、重量更輕，電源整體效率更高；碳化硅肖特基二極管反向恢復(fù)幾乎為零的特性使其在許多PFC電路中具有廣闊的應(yīng)用前景。例如，在3kW高效通信電源無橋交錯PFC電路中，使用650V/10A碳化硅肖特基二極管，可以幫助客戶實現(xiàn)滿載效率大于等于95%的高技術(shù)要求。

2. 新能源汽車充電樁——充電樁電源模塊

新能源汽車行業(yè)的快速發(fā)展帶動了充電柱的需求增長，對新能源電動汽車而言，提升充電速度和降低充電成本是行業(yè)發(fā)展的兩大目標(biāo)。在充電樁電源模塊中使用碳化硅器件，可以實現(xiàn)充電樁電源模塊的高效化和高功率化，進(jìn)而實現(xiàn)充電速度的提升和充電成本的降低。

3. 大數(shù)據(jù)中心、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)——服務(wù)器電源

服務(wù)器電源是服務(wù)器能源庫，服務(wù)器提供電能，保證服務(wù)器系統(tǒng)正常運行。在服務(wù)器電源中使用碳化硅功率器件，可以提升服務(wù)器電源的功率密度和效率，整體上縮小數(shù)據(jù)中心的體積，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心整體建設(shè)成本的降低，同時實現(xiàn)更高的環(huán)保效率。例如，在3kW服務(wù)器電源模塊中，在圖騰柱PFC中使用碳化硅MOSFET可以顯著提升服務(wù)器電源的效率，實現(xiàn)更高的效率要求。

4．特高壓——應(yīng)用柔性輸電直流斷路器

特高壓作為大型系統(tǒng)工程，將催發(fā)從原材料和元器件等一系列的需求，而功率器件是輸電端特高壓直流輸電中FACTS柔性輸電技術(shù)和變電端電力電子變壓器（PET）的關(guān)鍵器件。直流斷路器作為柔性直流輸電的關(guān)鍵部分之一，其可靠性對整個輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著較大影響。使用傳統(tǒng)硅基器件設(shè)計直流斷路器需要多級子單元串聯(lián)，在直流斷路器中使用高電壓碳化硅器件可以大大減少串聯(lián)子單元數(shù)量，是行業(yè)研究的重點方向。

5. 城際高鐵和城際軌道交通——牽引變流器、電力電子變壓器、輔助變流器、輔助電源

未來軌道交通對電力電子裝置，比如牽引變流器、電力電子電壓器等提出了更高的要求。采用碳化硅功率器件可以大幅度提高這些裝置的功率密度和工作效率，將有助于明顯減輕軌道交通的載重系統(tǒng)。碳化硅器件可以實現(xiàn)設(shè)備進(jìn)一步高效率化和小型化，在軌道交通方面具有巨大的技術(shù)優(yōu)勢。日本新干線N700S已經(jīng)率先在牽引變流器中使用碳化硅功率器件，大幅降低整車的重量，實現(xiàn)更高的運載效率和降低運營成本。

結(jié)論雖然碳化硅電力電子器件目前還存在如產(chǎn)量低、價格高、商業(yè)化器件種類少和缺乏高溫封裝等問題，但隨著碳化硅電力電子器件技術(shù)的研究的不斷深入，這些問題將逐漸得到解決，更多更好的商用碳化硅電力電子器件將推向市場，必將大大拓展碳化硅電力電子器件的應(yīng)用領(lǐng)域。在不久的將來，碳化硅功率器件將成為各種變換器應(yīng)用領(lǐng)域中減小功率損耗、提高效率和功率密度的關(guān)鍵器件。

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