一文读懂碳化硅半导体材料的发展历程

2019-06-11 10:03:33 来源: 功率半导体那些事儿
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国际国内的现状

之前许久的时间里,我们基本都集中于以硅半导体材料为主的分立器件和集成电路的研究中,广泛的应用以于消费电子、工业控制、通信、汽车电子、航天航空等各个领域,带来的发展时巨大的。

 

而作为一个人口庞大的中国,我国的半导体集成电路等大多数?#25925;?#38752;进口,关于半导体技术的发展?#25925;?#19981;及国外,据不完全统计,2014年至2017年的集成电路进口额年均都在2000亿美元以上,数额时相当的庞大。就如现在行业的现状,进口器件在工程师心中始终是优于国产器件的,而谈到国产器件,首先想到的只会是成本但是我们作为科技兴国的我们会甘于这?#26234;?#20917;吗?2014年,我国成立了集成电路产业投资基金,以市场化投资的方式来推动这一产业,至2017年投入资金近800亿元。

 

进入二十一世纪以来,提高能源效率与降低能源消耗已经成为全球范围内一个非常关键的问题。硅半导体在功率电子领域的应用已经逐渐接近硅材料的理论极限,最近?#25913;?#20197;碳化硅 (SiC)、氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体(WBG Semi,WideBand Gap Semiconductor)越来越受到大家的关注,其中碳化硅半导体已经开始在多个工业领域得到了广泛应用,国内外厂家也都纷纷投入到碳化硅的研发和生产之中,以碳化硅为主要代表的WBG Semi的春天已然来临。

 

主要半导体材料比较

以碳化硅半导体为主要代表的宽禁带半导体材料性能和其他常用半导体材料的异同分析。碳化硅(SiC)由碳(C)原子和硅(Si)原子组成,其晶体结构具有同质多型体的特点,在半导体领域最常见的是具有立方闪?#38752;?#32467;构的 3C-SiC 和六方纤?#38752;?#32467;构的4H-SiC和6H-SiC。同时,单晶碳化硅(SiC)比单晶硅(Si)具有很多优越的物理特性,主要表现在高禁带宽?#21462;?#39640;击穿电场和高热导率等方面都优于硅基半导体材料。目前常用的碳化硅外延片(EpitaxyWafer)是4H-SiC晶体结构。

 

 

上?#38469;?#20027;要但导体材料的参数,硅作为第一代半导体材料,碳化硅等作为第三代,那第二代是什么呢?表中也给出来了,便是以砷化镓(GaAs)为代表的,是第二代,这也许是个短暂的过渡,这块没有过多了解,大家可以去了解一下。

 

目前世界范围内大多数系统厂商已经在扩大碳化硅半导体领域的投资,而很少有厂商愿意过多投资氮化镓半导体,理由如下:

①碳化硅的优势在于:从量产层面比氮化镓更成熟,具有更好的性能。

②硅基氮化镓的优势在于:成本理论上比碳化硅更便宜;

③如果要改变这种局面,需要氮化镓功率器件做到更加?#20998;?#21487;靠,并且提供更加便宜的系统解决方案。

 

碳化硅半导体芯片产品主要包括碳化硅半导体功率器件和与之配套的碳化硅 MOSFET 驱动芯片。其中,碳化硅半导体功率器件的主要产品方向目前包括两大类。

 

?一类是二极管类,主要包括结型势垒肖特基二极(JBS Junction Barrier Schottky)和MPS二极管(MPS,Merged PiN Schottky)。

 

?一类是场效应晶体管类(FET),包括结?#32479;?#25928;应晶体管(JFET),金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)等.

 

主要的SiC厂家

目前主流的碳化硅生产厂家大多?#25925;?#22269;外老牌的那些,其中重头的当属略带霸主气质的英飞凌了。

 

2001年德国英飞凌公司(Infineon)率先将碳化硅二极管产品推向产业化,美国科瑞公司(Cree)和意法半导体(ST Microelectronics)等厂商也紧随其后推出了碳化硅二极管产品。,英飞凌也曾经想吞并Cree来着,但迫于?#26412;?#21387;力,没能成功。

 

在日本, 罗姆(Rohm)、富士电机(Fuji Electric)和瑞萨电(Renesas)也在开发肖特基势垒二极管(SBD)和结型势垒肖特基二极管(JBS)。目前,碳化硅二极管产品系列已经包括600V~1700V电压等级和50A等电流等级的产品。

 

2012年9月,美国科瑞公司宣布的6英寸碳化硅晶圆量产,是碳化硅走向规模化生产从而真正市场化的转折点。早期的碳化MOSFET是以平面型先开始的,包括日本罗姆的第一代和第二代,美国科瑞的前三代。目前,德国英飞凌公司正在着力推广沟槽型碳化硅MOSFET。

 

国外的发展,国内肯定不会坐以待毙,国内的厂商也开始进入碳化硅功率器件研究领域,包括泰科天润、世纪金光和基本半导体等。据报道,碳化硅二极管已经进入量产,碳化硅MOS也有成品。

 

SiC常见封装类型

虽然碳化硅半导体材料具有硅半导体材料不可比拟的优势,但是目前量产阶段的相关功率器件封装类型基本?#25925;?#27839;用了硅功率器件。目前碳化硅二极管的常用封装类型?#25925;荰O220为主,碳化硅MOSFET的常用封装类型?#25925;荰O247-3为主。?#27604;?#30446;前也推出了TO247-4的封装,增加了一个驱动控制专用的源极引脚,提高开关能效,降低开关损?#27169;?#25903;持更高的开关频率,进一步降低电源尺寸。

 

碳化硅模块的封装

与硅 IGBT 功率模块相比,全碳化硅功率模块可高速开关并可大幅降低开关损耗。为了优化碳化硅功率器件使用过程中的性能和可靠性,并?#34892;?#22320;结合功率器件与不同的应用方案,模块封装的研究早已开始,但是模块封装的主要瓶颈是在高开关速度引起的高dv/dt和di/dt,高运行温度和高电场强?#21462;?#30446;前常用全碳化硅功率模块?#25925;?#30899;化硅MOSFET和碳化硅二极管的组合,而驱动芯片通常是放置在功率模块以外的驱动板上。

 

碳化硅功率器件和电力电子应用方案的紧密结合将是推动碳化硅半导体未来广泛应用的重要条件。目前碳化硅主要应用大致有下面一些:光伏、新能源汽车、充电桩、智能电网等。而价格是目前制?#35745;?#22823;范围使用的因素之一。

 

碳化硅材料主要包括碳化硅衬底片(Substrate)和外延片(EpitaxyWafer)。目前碳化硅衬底片和外延片基本掌握在美国和日本几家主要厂商手里,而目前碳化硅功率器件的芯片成本很大程度上取决于碳化硅材料的成本,在5年内迫切期望国产碳化硅材料在?#20998;?#19978;取得质的突破。

 
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