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史上最全第三代半導體SiC/GaN產業發展介紹
發布日期:2018-8-23   點擊次數:1995
作者:于灝、蔡永香、卜雨洲、謝潛思
來源:北京新材料發展中心  編輯:長沙力高捷創儀器有限公司  
第3代半導體是指以氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)、金剛石、氧化鋅(ZnO)為代表的寬禁帶半導體材料,各類半導體材料的帶隙能比較見表1。與傳統的第1代、第2代半導體材料硅(Si)和砷化鎵(GaAs)相比,第3代半導體具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導率大、電子飽和漂移速度高、介電常數小等獨特的性能,使其在光電器件、電力電子、射頻微波器件、激光器和探測器件等方面展現出巨大的潛力,是世界各國半導體研究領域的熱點。

一、主要應用領域的發展概況
目前,第3代半導體材料正在引起清潔能源和新一代電子信息技術的革命,無論是照明、家用電器、消費電子設備、新能源汽車、智能電網、還是軍工用品,都對這種高性能的半導體材料有著極大的需求。根據第3代半導體的發展情況,其主要應用為半導體照明、電力電子器件、激光器和探測器、以及其他4個領域,每個領域產業成熟度各不相同(見圖1)。

圖1. 第3代半導體各應用領域示意圖
1.半導體照明
在4個應用領域中,半導體照明行業發展最為迅速,已形成百億美元的產業規模。半導體照明所使用的材料體系主要分為3種:藍寶石基GaN、SiC基GaN、Si基GaN,每種材料體系的產品都對應不同的應用。其中,藍寶石基GaN是最常用的,也是最為成熟的材料體系,大部分LED照明都是通過這種材料體系制造的。SiC基GaN制造成本較高,但由于散熱較好,非常適合制造低能耗、大功率照明器件。Si基GaN是3種材料體系中制造成本最低的,適用于低成本顯示。
2.電力電子器件
在電力電子領域,寬禁帶半導體的應用剛剛起步,市場規模僅為幾億美元。其應用主要集中在軍事尖端裝備領域,正逐步向民用領域拓展。微波器件方面,GaN高頻大功率微波器件已開始用于軍用雷達、智能武器和通信系統等方面。在未來,GaN微波器件有望用于4G~5G移動通訊基站等民用領域。功率器件方面,GaN和SiC兩種材料體系的應用領域有所區別。Si基GaN器件主要的應用領域為中低壓(200~1 200V), 如筆記本、高性能服務器、基站的開關電源;而SiC基GaN則集中在高壓領域(>1 200V),如太陽能發電、新能源汽車、高鐵運輸、智能電網的逆變器等器件。
3.激光器和探測器
在激光器和探測器應用領域,GaN基激光器可以覆蓋到很寬的頻譜范圍,實現藍、綠、紫外激光器和紫外探測的制造。紫色激光器可用于制造大容量光盤,其數據存儲盤空間比藍光光盤高出20倍。除此之外,紫色激光器還可用于醫療消毒、熒光激勵光源等應用,總計市場容量為12億美元。藍色激光器可以和現有的紅色激光器、倍頻全固化綠色激光器一起,實現全真彩顯示,使激光電視實現廣泛應用。目前,藍色激光器和綠光激光器產值約為2億美元,如果技術瓶頸得到突破,潛在產值將達到500億美元。GaN基紫外探測器可用于導彈預警、衛星秘密通信、各種環境監測、化學生物探測等領域,但尚未實現產業化。
4.其他應用
在前沿研究領域,寬禁帶半導體可用于太陽能電池、生物傳感器、水制氫媒介、及其他一些新興應用,目前這些熱點領域還處于實驗室研發階段。
在以上4個應用領域中,半導體照明和電力電子器件2個領域成為了2014年初關注焦點。前者是因為美國“白熾燈”禁令于2014年1月1日開始實施,停止銷售市場最暢銷的40W和60W白熾燈,此舉旨在推廣緊湊型熒光燈、LED燈和其他高能效比節能燈泡。隨著世界各國相繼出臺全面淘汰白熾燈的政策法規,預計2014年將成為半導體照明近期發展最快的一年。后者是受到美國政府“國家制造業創新網絡”計劃的影響。2014年1月15日,奧巴馬總統宣布成立“新一代電力電子器件國家制造創新中心”,在未來5年內,該中心通過美國能源部投資7 000萬美元,帶動企業和研究機構投入7 000萬美元以上匹配資金,致力于研發和制造高性能并具有價格競爭優勢的半導體電力電子器件。中心將由美國北卡羅來納州立大學領導,會同阿西布朗勃法瑞公司(ABB)、科銳公司(Cree, Inc)、射頻微器件公司(RF Mico Devices, Inc.)、臺達公司(Delta Products Inc.)、阿肯色電力電子國際公司(Arkansas Power Electronics International, Inc.)、東芝國際公司(Toshiba International Corporation)、美國海軍研究實驗室(U.S. Naval Research Laboratory)等超過25家公司、大學及政府機構,此舉將極大地加速寬禁帶半導體電力電子器件在民用領域的應用,并引發全球的關注。基于這些原因,本文將重點對上述2個領域近期的發展情況進行進一步的介紹。
二、半導體照明
隨著照明科技的不斷進步,半導體發光二極管(LED)作為一種固體照明光源,以其高光效、長壽命、節能環保、應用廣泛等諸多優勢,正在逐步替代傳統的白熾燈,成為繼白熾燈、熒光燈之后的又一次光源革命。LED燈比傳統的白熾燈發光效率高80%左右,壽命長2倍,且不含汞、鉛等有害物質,可以安全觸摸,屬于典型的綠色照明光源。根據美國能源部研究報告,一個價值15美元的LED燈,在其生命周期內,將比白熾燈節省超過140美元的電費。
近年來,隨著LED發光效率的大幅度提升,單位流明的價格逐步下降,各類創新產品不斷涌現,照明質量不斷提高。其應用已從最初的指示燈,逐步拓展到室內照明、舞臺照明、景觀照明等各個照明領域。目前,照明耗能約占整個電力消耗的20%左右,降低照明用電已成為節省能源的重要途徑。為此,發達國家紛紛宣布白熾燈淘汰計劃,積極推廣LED照明,應對逐年的全球溫室效應。美國、歐盟、日本、加拿大、澳大利亞、韓國等國相繼宣布停止銷售白熾燈。我國也將于2012-2016年,逐步淘汰白熾燈。
1.國外LED產業發展概況
美國是半導體照明技術的領跑者,一直處于技術和產業的領先地位。為了減少照明電力的能源消耗,緩解能源枯竭,美國能源局自2000年就開始推動固態照明技術研究,逐步實現固態照明對傳統照明的替代。隨后,奧巴馬的“美國能源新政”把發展新能源和可再生能源、提高能源使用效能、推動能源結構的調整作為促進美國經濟復蘇和創造就業最重要的舉措。半導體照明技術被認為是能源應用領域中重要的技術創新之一,在美國能源結構的轉型中發揮重要作用。
美國能源部的固態照明發展戰略規劃共獲得美國國會2.98 億美元的撥款,資助了超過200個研究項目。此計劃取得了顯著的經濟和社會效益,根據相關研究報道,2012年LED燈為美國節省了71萬億BTU(英國熱量單位),相當于節省了6.75億美元的能源開支。預計2030 年美國 LED照明的普及能夠將能源消耗節省近半,2010-2030年期間所節省的累計電量將達2 700TWh,相當于剩下2 500億美元的開銷,也等同于18億t二氧化碳排放量(見圖2)。
除美國以外,其他發達國家也積極推動LED產業的發展。日本早在1998年就推出了“21世紀光計劃”,投入60億日元用于開發白光LED照明光源,計劃在2020年實現100%的照明產品為新一代高效率照明。歐洲則于2000年開始的“彩虹計劃”,通過歐盟補貼來推廣LED的應用。在隨后推出的“地平線2020”計劃中,固體照明和OLED都被囊括其中,光電子領域的投入將達到7億歐元。韓國在2002年提出“GaN半導體開發計劃”,國家投入1億美元推動LED照明發展。在隨后的“15/30計劃”中,又投入50億韓元經費,進行LED照明的標準規范擬定作業,并規劃在2015年前將境內30%的照明淘汰換成LED照明。

圖2 美國能源部LED照明預測圖
2.中國LED產業概況
我國LED產業起步于20世紀70年代,發展迅速。在政府的大力扶持下,經過30多年的發展,已經初步形成了外延片、芯片、封裝及產品應用完成產業鏈,成為全球照明產業變革中轉型升級發展最快的區域之一。通過科技部推出的“十城萬盞”半導體照明應用示范工程,截至2011年底,已經有420萬盞以上LED燈具得到示范應用,實現年節電4.2億kWh。根據國家半導體照明工程研發及產業聯盟(CSA)的最新數據顯示,2013年,我國功率型白光LED產業化光效達140lm/W,擁有自主知識產權的功率型硅基LED芯片產業化光效達到130lm/W,芯片的國產化率達到75%。
2013年,我國半導體照明產業整體規模達到2 576億元,較2012年的1 920億元增長34%。其中上游外延芯片生產產值規模達到105億元,增長率為31.5%;中游封裝產業規模達到403億元,增長率為26%;下游應用領域整體規模達到2 068億元,增長率達到36%。根據聯盟預計,2014年,國內半導體照明產業將繼續保持高速增長,預計增長率達到40%左右。外延芯片產值增長率預計達到35%左右,封裝產業預計增速在20%左右,應用環節產值增長率超過50%。
3.未來技術及產業發展方向
現階段LED燈的整體發光效率可達130~160 lm/W,已經具有取代傳統照明市場實力,預計發光效率還將快速提升,2015年將達到160~190 lm/W,2020年將達到235 lm/W左右(見表2)。目前,制約LED大規模應用的關鍵仍然是價格因素。雖然在過去的5年中,LED照明產品的售價有了大幅度的下降,但和普通的節能燈相比仍不具備價格優勢(見圖3)。近幾年來,隨著生產成本下降和資本大量流入的影響,這種局面開始產生變化,LED照明與傳統照明產品之間的價格差距正在逐漸縮小。2013年末到2014年初,在許多國家和區域,無論是取代40W或是60W的LED燈最低售價都已經跌破10美元,全球這兩種LED燈平均價格也分別下降到15美元和21美元的低位。許多人認為10美元的價格區間將是家庭住宅大規模選擇使用LED燈具的一個關鍵轉折點,因此2014年很有可能將成為LED照明需求快速增長的一年,成為LED照明產品的拐點年。預計2014年LED照明滲透率也將由8%~10%提升至32.7%,LED照明市場產值達到為353億美元,較2013年成長 47.8%。到2020年,全球LED照明市場份額有望增長到840億美元。


圖3 取代60W的LED球泡燈價格預期
三、電力電子器件
在20世紀,硅基半導體電力電子器件被廣泛應用于計算機、通信和能源等行業,為人們帶來了各種強大的電子設備,深刻地改變著每一個人的生活,在過去的幾十年中一直推動著科學的進步和發展。隨著硅基電力電子器件逐漸接近其理論極限值,利用寬禁帶半導體材料制造的電力電子器件顯示出比Si和GaAs更優異的特性,給電力電子產業的發展帶來了新的生機。相對于Si材料,使用寬禁帶半導體材料制造新一代的電力電子元件,可以變得更小、更快、更可靠和更高效。這將減少電力電子元件的質量、體積以及生命周期成本,允許設備在更高的溫度、電壓和頻率下工作,使得電子電子器件使用更少的能量卻可以實現更高的性能。基于這些優勢,寬禁帶半導體在家用電器、電力電子設備、新能源汽車、工業生產設備、高壓直流輸電設備、移動電話基站等系統中都具有廣泛的應用前景。
1.軍事方面的應用
最初,針對禁帶半導體的研究與開發主要是為了滿足軍事國防方面的需求。早在1987年,美國政府和相關研究機構就促成了科銳公司(Cree)的成立,專門從事SiC半導體的研究。隨后,美國國防部和能源部先后啟動了“寬禁帶半導體技術計劃”和“氮化物電子下一代技術計劃”,積極推動SiC和GaN寬禁帶半導體技術的發展。美國政府一系列的部署引發了全球范圍內的激烈競爭,歐洲和日本也相繼開展了相關研究。歐洲開展了面向國防和商業應用的“KORRIGAN”計劃和面向高可靠航天應用的“GREAT2”計劃。日本則通過“移動通訊和傳感器領域半導體器件應用開發”、“氮化鎵半導體低功耗高頻器件開發”等計劃推動第3代半導體在未來通信系統中的應用。經過多年的發展,發達國家在寬禁帶半導體材料、器件及系統的研究上取得了豐碩的成果,實現了在軍事國防領域的廣泛應用。
由于SiC和GaN兩種材料的特性不同,它們的應用領域也有所區別:GaN主要是用作微波器件,而SiC主要是作為大功率高頻功率器件。GaN材料的功率密度是現有GaAs器件的10倍,是制造微波器件的理想材料,被應用于雷達、電子對抗、智能化系統及火控裝備,用來提高雷達性能和減小體積。根據報道,美國海軍新一代干擾機吊艙、空中和導彈防御雷達AMDR正在采用GaN來替代GaAs 器件,以取代洛馬公司的SPY-1相控陣雷達(宙斯盾系統核心雷達)。SiC則應用于高壓、高溫、強輻照等惡劣條件下工作的艦艇、飛機及智能武器電磁炮等眾多軍用電子系統,起到抵抗極端環境和降低能耗的作用。美國新型航空母艦CVN-21級福特號配備的4個電磁彈射系統均靠電力驅動,能在300英尺的距離內把飛機速度提高到160海里/h。其區域配電系統采用全SiC器件為基礎的固態功率變電站,這使得每個變壓器的質量從6t減少為1.7t,體積從10m3減少為2.7m3。
2.民用領域應用
隨著在軍事領域的應用逐步成熟,寬禁帶半導體的應用開始逐步拓展到民用應用領域,其節能效應也將惠及到國民經濟的方方面面。近年來,信息技術在原有基礎上又得到快速發展,大量的以新技術為基礎的新產品、新應用正在迅速普及,所帶來的電力電子設備的能源消耗量也快速增長。根據預測,美國電力電子設備用電量占總量的比例將從2005年的30%增長到2030年的80%。半導體在節能領域中應用最多就是功率器件,絕大多數電子產品都會使用到一顆或多顆功率器件產品。寬禁帶半導體的帶隙明顯大于硅半導體,從而可有效減小電子跨越的鴻溝,減少能源損耗。其相關器件的推廣應用將給工業電機系統、消費類電子產品、新能源等領域帶來深遠的影響(見圖4)。

圖4 寬禁帶半導體的應用領域示意圖
(1)工業電機系統
在傳統工業控制領域,交流電機控制、工業傳動裝置、機車與列車用電源以及供暖系統傳動裝置等都需要功率器件。對于工業電機系統來說,更高效、更緊湊的寬禁帶半導體變頻驅動器可使電機的轉速實現動態調整,這將使得泵、風機、壓縮機及空調系統所用的各類驅動電機變得更加高效、節能。根據報道,在美國,電機系統用電量占制造業的70%左右,通過使用寬禁帶半導體變頻驅動器,美國每年直接節省的電力相當于100萬戶美國家庭用電的年消耗量。隨著寬禁帶半導體變頻驅動器的應用逐步擴展,最終節省的電力可供690萬戶美國家庭使用。
(2)消費電子產品
消費電子產品將是寬禁帶半導體應用的另一大領域。目前,家庭擁有的電器總量驚人,各類家電通常都需要各種不同的功率器件控制;公共場所空調、照明、裝飾、顯示、計算機、自動控制等也需要大量的功率器件。筆記本電腦、智能手機、平板電腦、計算機和服務器等消費電子產品所使用的電源轉換器雖然單個能耗不大,但其使用數量龐大,損耗總和相當驚人。寬禁帶半導體芯片可以消除整流器在進行交直流轉換時90%的能量損失,還可以使筆記本電源適配器體積縮小80%。通過使用寬禁帶半導體,美國在此領域節約的電力可供130萬戶美國家庭使用。
(3)新能源領域
為了擺脫對化石燃料的依賴、減少溫室氣體的排放,各國政府都開始大力發展可再生能源產業。太陽能發電和風能發電系統所產生的電力需要從直流電源轉換成交流電,繼而才能與電網相連接使用。由于風能的不穩定性,風力發電機輸出非固定頻率的交流電,需要進行交-直-交的轉換才能并網使用。寬禁帶半導體逆變器可以使得這個過程的效率更高,美國每年節省的電力足夠供美國75萬戶家庭使用。此外,對于智能電網來說,使用寬禁帶半導體制成的逆變器、變壓器和晶體管等,有助于克服發電、輸電、配電及終端使用所面臨的一系列問題,幫助建立一個更智能、更可靠、更具彈性的新一代電網。例如,一個寬禁帶半導體逆變器,其性能是傳統逆變器性能的4倍,同時成本和質量分別減少50%和25%。對于較大規模的逆變器,寬禁帶半導體逆變器的質量可以減輕大約3 600kg。
在電動汽車和混合動力汽車領域,寬禁帶半導體可以把直流快充電站縮小到微波爐一樣大小,并減少2/3的電力損失。由于這些電子產品可以承受更高的工作溫度,可使得車輛冷卻系統的體積減少60%,甚至消除了二次液體冷卻系統。
3.市場前景
基于寬禁帶半導體的廣闊應用前景、巨大的市場需求和經濟效益,繼半導體照明以后,美國將第三代半導體材料的電子電力器件應用提升到國家戰略的高度,確保美國在這一領域的優勢地位。相對于半導體照明行業,寬禁帶半導體在電子電力領域的應用剛剛起步,但預計其潛在市場容量超過300億美元。
功率器件方面,2012年全球SiC和GaN基功率器件市場的銷售規模僅為1億多美元,大部分應用集中在電源。其中,SiC基器件的市場規模達到9 000萬美元,而GaN基器件僅為1 000多萬。2013年,各大企業紛紛推出GaN功率器件樣品,這標志著其在民用市場的商業化進程開始加速。隨著價格下降和產量的增加,預計市場拐點或將出現在2015年。SiC基器件的價格有望下降到2012年的一半左右,GaN基器件的價格也可能進一步下降,屆時市場規模有望接近5億美元。2020年,市場規模將達到20億美元,相比2012年提高20倍。微波器件方面,2012年GaN基微波器件市場收入接近9 000萬美元,預計GaN整體市場微波及功率器件到2015年達到3.5億美元。
我國開展SiC和GaN材料及器件方面的研究工作比較晚,在科技部及軍事預研項目的支持下,取得了一定的成果,逐步縮小了與國外先進技術的差距,在軍工領域已取得了一些應用。但是,研究的主要成果還停留在實驗室階段,器件性能離國外的報道還有很大差距。目前,已有少數企業成功開發SiC和GaN材料及器件,GaN微波器件和SiC功率器件于2013年進入小批量生產階段,預計在未來2~3年內將實現量產。

碳化硅元器件的昨天、今天、明天!
來源:寬禁帶半導體技術創新聯盟
【導讀】碳化硅(SiC)是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑為原料通過電阻爐高溫冶煉而成。碳化硅在大自然也存在罕見的礦物,莫桑石。碳化硅又稱碳硅石。在當代C、N、B等非氧化物高技術耐火原料中,碳化硅為應用最廣泛、最經濟的一種。可以稱為金鋼砂或耐火砂。
一、碳化硅的前世今生
碳化硅由于化學性能穩定、導熱系數高、熱膨脹系數小、耐磨性能好,除作磨料用外,還有很多其他用途,例如:以特殊工藝把碳化硅粉末涂布于水輪機葉輪或汽缸體的內壁,可提高其耐磨性而延長使用壽命1~2倍;用以制成的高級耐火材料,耐熱震、體積小、重量輕而強度高,節能效果好。低品級碳化硅(含SiC約85%)是極好的脫氧劑,用它可加快煉鋼速度,并便于控制化學成分,提高鋼的質量。此外,碳化硅還大量用于制作電熱元件硅碳棒。
碳化硅的硬度很大,莫氏硬度為9.5級,僅次于世界上最硬的金剛石(10級),具有優良的導熱性能,是一種半導體,高溫時能抗氧化。
碳化硅歷程表
1905年第一次在隕石中發現碳化硅
1907年第一只碳化硅晶體發光二極管誕生
1955年理論和技術上重大突破,LELY提出生長高品質碳化概念,從此將SiC作為重要的電子材料
1958年在波士頓召開第一次世界碳化硅會議進行學術交流
1978年六、七十年代碳化硅主要由前蘇聯進行研究。到1978年首次采用“LELY改進技術”的晶粒提純生長方法
1987年~至今以CREE的研究成果建立碳化硅生產線,供應商開始提供商品化的碳化硅基。
2001年德國Infineon公司推出SiC二極管產品,美國Cree和意法半導體等廠商也緊隨其后推出了SiC二極管產品。在日本,羅姆、新日本無線及瑞薩電子等投產了SiC二極管。
2013年9月29日,碳化硅半導體國際學會“ICSCRM 2013”召開,24個國家的半導體企業、科研院校等136家單位與會,人數達到794人次,為歷年來之最。國際知名的半導體器件廠商,如科銳、三菱、羅姆、英飛凌、飛兆等在會議上均展示出了最新量產化的碳化硅器件。
到現在已經有很多廠商生產碳化硅器件比如Cree公司、Microsemi公司、Infineon公司、Rohm公司。
二、碳化硅器件的優勢特性
碳化硅(SiC)是目前發展最成熟的寬禁帶半導體材料,世界各國對SiC的研究非常重視,紛紛投入大量的人力物力積極發展,美國、歐洲、日本等不僅從國家層面上制定了相應的研究規劃,而且一些國際電子業巨頭也都投入巨資發展碳化硅半導體器件。
與普通硅相比,采用碳化硅的元器件有如下特性:

高壓特性
碳化硅器件是同等硅器件耐壓的10倍
碳化硅肖特基管耐壓可達2400V。
碳化硅場效應管耐壓可達數萬伏,且通態電阻并不很大。

高頻特性

高溫特性
在Si材料已經接近理論性能極限的今天,SiC功率器件因其高耐壓、低損耗、高效率等特性,一直被視為“理想器件”而備受期待。然而,相對于以往的Si材質器件,SiC功率器件在性能與成本間的平衡以及其對高工藝的需求,將成為SiC功率器件能否真正普及的關鍵。
目前,低功耗的碳化硅器件已經從實驗室進入了實用器件生產階段。目前碳化硅圓片的價格還較高,其缺陷也多。通過不斷的研究開發,預計到2010年前后,碳化硅器件將主宰功率器件的市場。但實際上并非如此。
三、最受關注的碳化硅MOS
SiC器件分類

SiC-MOSFET
SiC-MOSFET 是碳化硅電力電子器件研究中最受關注的器件。成果比較突出的就是美國的Cree公司和日本的ROHM公司。
在Si材料已經接近理論性能極限的今天,SiC功率器件因其高耐壓、低損耗、高效率等特性,一直被視為“理想器件”而備受期待。然而,相對于以往的Si材質器件,SiC功率器件在性能與成本間的平衡以及其對高工藝的需求,將成為SiC功率器件能否真正普及的關鍵。
碳化硅MOS的結構
碳化硅MOSFET(SiC MOSFET)N+源區和P井摻雜都是采用離子注入的方式,在1700℃溫度中進行退火激活。另一個關鍵的工藝是碳化硅MOS柵氧化物的形成。由于碳化硅材料中同時有Si和C兩種原子存在,需要非常特殊的柵介質生長方法。其溝槽星結構的優勢如下:
平面vs溝槽

SiC-MOSFET采用溝槽結構可最大限度地發揮SiC的特性。

碳化硅MOS的優勢
硅IGBT在一般情況下只能工作在20kHz以下的頻率。由于受到材料的限制,高壓高頻的硅器件無法實現。碳化硅MOSFET不僅適合于從600V到10kV的廣泛電壓范圍,同時具備單極型器件的卓越開關性能。相比于硅IGBT,碳化硅MOSFET在開關電路中不存在電流拖尾的情況具有更低的開關損耗和更高的工作頻率。
20kHz的碳化硅MOSFET模塊的損耗可以比3kHz的硅IGBT模塊低一半, 50A的碳化硅模塊就可以替換150A的硅模塊。顯示了碳化硅MOSFET在工作頻率和效率上的巨大優勢。
碳化硅MOSFET寄生體二極管具有極小的反向恢復時間trr和反向恢復電荷Qrr。如圖所示,同一額定電流900V的器件,碳化硅MOSFET 寄生二極管反向電荷只有同等電壓規格硅基MOSFET的5%。對于橋式電路來說(特別當LLC變換器工作在高于諧振頻率的時候),這個指標非常關鍵,它可以減小死區時間以及體二極管的反向恢復帶來的損耗和噪音,便于提高開關工作頻率。

碳化硅MOS管的應用
碳化硅MOSFET模塊在光伏、風電、電動汽車及軌道交通等中高功率電力系統應用上具有巨大的優勢。碳化硅器件的高壓高頻和高效率的優勢,可以突破現有電動汽車電機設計上因器件性能而受到的限制,這是目前國內外電動汽車電機領域研發的重點。如電裝和豐田合作開發的混合電動汽車(HEV)、純電動汽車(EV)內功率控制單元(PCU),使用碳化硅MOSFET模塊,體積比減小到1/5。三菱開發的EV馬達驅動系統,使用SiC MOSFET模塊,功率驅動模塊集成到了電機內,實現了一體化和小型化目標。預計在2018年-2020年碳化硅MOSFET模塊將廣泛應用在國內外的電動汽車上。
四、碳化硅肖特二極管
碳化硅肖特基二極管
碳化硅肖特基二極管結構
碳化硅肖特基二極管(SiC SBD)的器件采用了結勢壘肖特基二極管結構(JBS),可以有效降低反向漏電流,具備更好的耐高壓能力。
碳化硅肖特基二極管優勢
碳化硅肖特基二極管是一種單極型器件,因此相比于傳統的硅快恢復二極管(Si FRD),碳化硅肖特基二極管具有理想的反向恢復特性。在器件從正向導通向反向阻斷轉換時,幾乎沒有反向恢復電流(如圖1.2a),反向恢復時間小于20ns,甚至600V10A的碳化硅肖特基二極管的反向恢復時間在10ns以內。因此碳化硅肖特基二極管可以工作在更高的頻率,在相同頻率下具有更高的效率。另一個重要的特點是碳化硅肖特基二極管具有正的溫度系數,隨著溫度的上升電阻也逐漸上升,這與硅FRD正好相反。這使得碳化硅肖特基二極管非常適合并聯實用,增加了系統的安全性和可靠性。
概括碳化硅肖特基二極管的主要優勢,有如下特點:
1. 幾乎無開關損耗
2. 更高的開關頻率
3. 更高的效率
4. 更高的工作溫度
5. 正的溫度系數,適合于并聯工作
6. 開關特性幾乎與溫度無關
碳化硅肖特基二極管的應用
碳化硅肖特基二極管可廣泛應用于開關電源、功率因素校正(PFC)電路、不間斷電源(UPS)、光伏逆變器等中高功率領域,可顯著的減少電路的損耗,提高電路的工作頻率。在PFC電路中用碳化硅SBD取代原來的硅FRD,可使電路工作在300kHz以上,效率基本保持不變,而相比下使用硅FRD的電路在100kHz以上的效率急劇下降。隨著工作頻率的提高,電感等無源原件的體積相應下降,整個電路板的體積下降30%以上。
五、人們是如何評價碳化硅的?
幾乎凡能讀到的文章都是這樣介紹碳化硅:
碳化硅的能帶間隔為硅的2.8倍(寬禁帶),達到3.09電子伏特。其絕緣擊穿場強為硅的5.3倍,高達3.2MV/cm.其導熱率是硅的3.3倍,為49w/cm.k。由碳化硅制成的肖特基二極管及MOS場效應晶體管,與相同耐壓的硅器件相比,其漂移電阻區的厚度薄了一個數量級。其雜質濃度可為硅的2個數量級。由此,碳化硅器件的單位面 積的阻抗僅為硅器件的100分之一。它的漂移電阻幾乎就等于器件的全部電阻。因而碳化硅器件的發熱量極低。這有助于減少傳導和開關損耗,工作頻率一般也要比硅器件高10倍以上。此外,碳化硅半導體還有的固有的強抗輻射能力。
近年利用碳化硅材料制作的IGBT(絕緣柵雙極晶體管)等功率器件,已可采用少子注入等工藝,使其通態阻抗減為通常硅器件的十分之一。再加上碳化硅器件本身發熱量小,因而碳化硅器件的導熱性能極優。還有,碳化硅功率器件可在400℃的高溫下正常工作。其可利用體積微小的器件控制很大的電流。工作電壓也高得多。
六、目前碳化硅器件發展情況如何?
1,技術參數:舉例來說,肖特基二極管電壓由250伏提高到1000伏以上,芯片面積小了,但電流只有幾十安。工作溫度提高到180℃,離介紹能達600℃相差很遠。壓降更不盡人意,與硅材料沒有差別,高的正向壓降要達到2V。
2,市場價格:約為硅材料制造的5到6倍。
七、碳化硅(SiC)器件發展中的難題在哪里?
綜合各種報道,難題不在芯片的原理設計,特別是芯片結構設計解決好并不難。難在實現芯片結構的制作工藝。
舉例如下:
1,碳化硅晶片的微管缺陷密度。微管是一種肉眼都可以看得見的宏觀缺陷,在碳化硅晶體生長技術發展到能徹底消除微管缺陷之前,大功率電力電子器件就難以用碳化硅來制造。盡管優質晶片的微管密度已達到不超過15cm-2 的水平。但器件制造要求直徑超過100mm的碳化硅晶體,微管密度低于0.5cm-2 。
2,外延工藝效率低。碳化硅的氣相同質外延一般要在1500℃以上的高溫下進行。由于有升華的問題,溫度不能太高,一般不能超過1800℃,因而生長速率較低。液相外延溫度較低、速率較高,但產量較低。
3,摻雜工藝有特殊要求。如用擴散方法進行慘雜,碳化硅擴散溫度遠高于硅,此時掩蔽用的SiO2層已失去了掩蔽作用,而且碳化硅本身在這樣的高溫下也不穩定,因此不宜采用擴散法摻雜,而要用離子注入摻雜。如果p型離子注入的雜質使用鋁。由于鋁原子比碳原子大得多,注入對晶格的損傷和雜質處于未激活狀態的情況都比較嚴重,往往要在相當高的襯底溫度下進行,并在更高的溫度下退火。這樣就帶來了晶片表面碳化硅分解、硅原子升華的問題。目前,p型離子注入的問題還比較多,從雜質選擇到退火溫度的一系列工藝參數都還需要優化。
4,歐姆接觸的制作。歐姆接觸是器件電極引出十分重要的一項工藝。在碳化硅晶片上制造金屬電極,要求接觸電阻低于10- 5Ωcm2,電極材料用Ni和Al可以達到,但在100℃ 以上時熱穩定性較差。采用Al/Ni/W/Au復合電極可以把熱穩定性提高到600℃、100h ,不過其接觸比電阻高達10- 3Ωcm2 。所以要形成好的碳化硅的歐姆接觸比較難。
5,配套材料的耐溫。碳化硅芯片可在600℃溫度下工作,但與其配套的材料就不見得能耐此高溫。例如,電極材料、焊料、外殼、絕緣材料等都限制了工作溫度的提高。
以上僅舉數例,不是全部。還有很多工藝問題還沒有理想的解決辦法,如碳化硅半導體表面挖槽工藝、終端鈍化工藝、柵氧層的界面態對碳化硅MOSFET器件的長期穩定性影響方面,行業中還有沒有達成一致的結論等,大大阻礙了碳化硅功率器件的快速發展。
八、為什么SIC器件還不能普及?
早在20世紀60年代,碳化硅器件的優點已經為人們所熟知。之所以目前尚未推廣普及,是因為存在著許多包括制造在內的許多技術問題。直到現在SIC材料的工業應用主要是作為磨料(金剛砂)使用。
SIC在能夠控制的壓力范圍內不會融化,而是在約2500℃的升華點上直接轉變為氣態。所以SIC 單晶的生長只能從氣相開始,這個過程比SIC的生長要復雜的多,SI在大約1400℃左右就會熔化。使SIC技術不能取得商業成功的主要障礙是缺少一種合適的用于工業化生產功率半導體器件的襯底材料。對SI的情況,單晶襯底經常指硅片(wafer),它是從事生產的前提和保證。一種生長大面積 SIC襯底的方法以在20世紀70年代末研制成功。但是用改進的稱為Lely方法生長的襯底被一種微管缺陷所困擾。
只要一根微管穿過高壓PN結就會破壞PN結阻斷電壓的能力,在過去三年中,這種缺陷密度已從每平方毫米幾萬根降到幾十根。除了這種改進外,當器件的最大尺寸被限制在幾個平方毫米時,生產成品率可能在大于百分之幾,這樣每個器件的最大額定電流為幾個安培。因此在SIC功率器件取得商業化成功之前需要對SIC的襯底材料作更大技術改進。

SIC工業生產的晶片和最佳晶片的微管密度的進展
制造不同器件成品率為40% 和90% 的微管密度值

上圖看出,現在SIC材料,光電子器件已滿足要求,已經不受材料質量影響,器件的工業生產成品率,可靠性等性能也符合要求。高頻器件主要包括MOSFET SCHOTTKY二極管內的單極器件。SIC材料的微管缺陷密度基本達到要求,僅對成品率還有一定影響。高壓大功率器件用SIC材料大約還要二年的時間,進一步改善材料缺陷密度。總之不論現在存在什么困難,半導體如何發展, SIC無疑是新世紀一種充滿希望的材料。

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