碳化硅功率器件的電氣性能優(yōu)勢(shì)

一、什么是碳化硅（SiC）？

碳化硅屬于第三代半導(dǎo)體材料，與普通的硅材料相比，碳化硅的優(yōu)勢(shì)非常突出，它不僅克服了普通硅材料的某些缺點(diǎn)，在功耗上也有非常好的表現(xiàn)，因而成為電力電子領(lǐng)域目前最具前景的半導(dǎo)體材料。正因?yàn)槿绱?，已?jīng)有越來(lái)越多的半導(dǎo)體企業(yè)開(kāi)始進(jìn)入SiC市場(chǎng)。

碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）、氮化鋁（ALN）、氧化鎵（Ga2O3）等，因?yàn)榻麕挾却笥?.2eV統(tǒng)稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料，在國(guó)內(nèi)也稱為第三代半導(dǎo)體材料。

二、碳化硅的發(fā)現(xiàn)

人類歷史上第一次發(fā)現(xiàn)碳化硅是在1891年，美國(guó)人艾奇遜在電溶金剛石的時(shí)候發(fā)現(xiàn)一種碳的化合物，這就是碳化硅首次合成和發(fā)現(xiàn)。隨后各國(guó)科學(xué)家經(jīng)過(guò)深入研究之后，終于理清了碳化硅的優(yōu)點(diǎn)和特性，并且發(fā)明了各種碳化硅的長(zhǎng)晶技術(shù)，產(chǎn)業(yè)研究前后長(zhǎng)達(dá)70多年。

2001年的時(shí)候英飛凌就做出了第一只碳化硅二極管，然后Cree，羅姆，ST等公司也相繼進(jìn)入碳化硅領(lǐng)域，做出了碳化硅二極管，三極管，MOSFET管等，有少量科研機(jī)構(gòu)用研發(fā)過(guò)碳化硅IGBT結(jié)構(gòu)，但是IGBT結(jié)構(gòu)的一時(shí)半刻找不到應(yīng)用場(chǎng)景。

以前大家都知道碳化硅很好，但是問(wèn)題也很多，第一長(zhǎng)晶技術(shù)不成熟，晶體內(nèi)缺陷太多，嚴(yán)重影響良率和穩(wěn)定性，可靠性；其次是不知道應(yīng)用場(chǎng)景，因?yàn)樘蓟杵骷m然性能強(qiáng)，但是太貴，找不到一個(gè)很適合的商業(yè)落點(diǎn)。

但是這一切都被特斯拉改變，特斯拉是業(yè)內(nèi)第一個(gè)提出使用碳化硅替代硅的車企，并且大膽用到特斯拉的毛豆3上，隨后其他車廠紛紛效仿，碳化硅迎來(lái)大規(guī)模上車的階段，因此業(yè)內(nèi)認(rèn)為碳化硅發(fā)展元年是在2019年，特斯拉這一大膽的舉動(dòng)，拉開(kāi)了碳化高速發(fā)展的序幕。

三、碳化硅與半導(dǎo)體

在半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)從材料端分為：

第一代元素半導(dǎo)體材料：如硅（Si）和鍺（Ge）；

第二代化合物半導(dǎo)體材料：如砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等；

第三代寬禁帶材料：如碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氮化鋁（ALN）、氧化鎵（Ga2O3）

禁帶寬度物理意義是實(shí)際上是反映了價(jià)電子被束縛強(qiáng)弱程度的一個(gè)物理量，也就是產(chǎn)生本征激發(fā)所需要的最小能量，自由電子獲得足夠的能量后能躍遷到導(dǎo)帶，這個(gè)能量最小值就是禁帶寬度。

禁帶寬度直接決定著器件的耐壓和最高工作溫度，因此禁帶寬度大的材料更適合高溫高壓場(chǎng)景。

相比之下硅禁帶寬度只有1.12eV，碳化硅有三倍于硅的禁帶寬度，因此承受同樣電壓的器件，碳化硅器件的面積要比硅器件小的多，只有1/10，電壓越高面積比越明顯，或者說(shuō)同樣面積下，碳化硅的耐壓比硅強(qiáng)很多。

總結(jié)以下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：

1、寬禁帶半導(dǎo)體材料的禁帶寬度大，擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高，大大增加了寬禁帶器件能夠承受的峰值電壓，器件的輸出功率可以大大提高；

2、寬禁帶材料具有高導(dǎo)熱性、高化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。使功率器件能夠在更惡劣的環(huán)境下工作，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性;

3、寬禁帶材料具有優(yōu)異的抗輻射能力。在輻射環(huán)境下，寬禁帶器件的輻射穩(wěn)定性比硅器件高10~100倍，是制作耐高溫、抗輻射的大功率微波功率器件的優(yōu)良材料。

4、由于寬禁帶半導(dǎo)體器件的結(jié)溫較高，它們可以在冷卻條件差、熱設(shè)計(jì)保證差的環(huán)境中穩(wěn)定工作。

其中半絕緣型碳化硅上主要是長(zhǎng)氮化鎵外延層制造用于射頻和光電器件，導(dǎo)電型碳化硅襯底上長(zhǎng)同質(zhì)碳化硅外延層用來(lái)做功率半導(dǎo)體，兩者材料應(yīng)用有區(qū)別。

特別是碳化硅基氮化鎵，因此氮化鎵襯底實(shí)在太貴了，而且碳化硅和氮化鎵有非常優(yōu)異的晶格匹配度超過(guò)95%，因此碳化硅上能長(zhǎng)出高質(zhì)量的氮化鎵外延層，因此氮化鎵外延片把碳化硅當(dāng)做最好的襯底。

四、碳化硅功率器件的電氣性能優(yōu)勢(shì)：

1. 耐壓高：臨界擊穿電場(chǎng)高達(dá)2MV/cm（4H-SiC），因此具有更高的耐壓能力（10倍于Si）。

2. 散熱容易：由于SiC材料的熱導(dǎo)率較高（是Si的三倍），散熱更容易，器件可工作在更高的環(huán)境溫度下。理論上，SiC功率器件可在175℃結(jié)溫下工作，因此散熱器的體積可以顯著減小。

3. 導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗低：SiC材料具有兩倍于Si的電子飽和速度，使得SiC 器件具有極低的導(dǎo)通電阻（1/100 于Si），導(dǎo)通損耗低；SiC材料具有3倍于Si 的禁帶寬度，泄漏電流比Si 器件減少了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，從而可以減少功率器件的功率損耗；關(guān)斷過(guò)程中不存在電流拖尾現(xiàn)象，開(kāi)關(guān)損耗低，可大大提高實(shí)際應(yīng)用的開(kāi)關(guān)頻率（10 倍于Si）。

4. 可以減小功率模塊的體積：由于器件電流密度高（如Infineon 產(chǎn)品可達(dá)700A/cm），在相同功率等級(jí)下，全SiC 功率模塊（SiC MOSFETsSiC SBD）的封裝尺寸顯著小于Si IGBT 功率模塊。

主要缺點(diǎn)

肖特基二極管的主要缺點(diǎn)是反向電流相對(duì)較大。由于它的金屬-半導(dǎo)體結(jié)，當(dāng)電壓反向連接時(shí)，更容易產(chǎn)生泄漏電流。此外，肖特基二極管往往具有較低的最大反向電壓。它們的最大值往往為50V或更低。請(qǐng)記住，反向電壓是指當(dāng)電壓反向連接（從陰極到陽(yáng)極）時(shí)，二極管將擊穿并開(kāi)始傳導(dǎo)大量電流的值。這意味著肖特基二極管不能承受很大的反向電壓而不擊穿和傳導(dǎo)大量電流。即使在達(dá)到最大反向值之前，它仍會(huì)泄漏少量電流。

根據(jù)電路的應(yīng)用和使用，這可能被證明是重要的或不重要的。

五、碳化硅的市場(chǎng)

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研的數(shù)據(jù)，2021年碳化硅功率器件的市場(chǎng)規(guī)模超過(guò)10億美元，并預(yù)計(jì)到2025年，這個(gè)數(shù)字將超過(guò)37億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率（CAGR）超過(guò)34%。

另一家知名產(chǎn)業(yè)研究機(jī)構(gòu)也做出了類似的判斷，認(rèn)為化合物半導(dǎo)體功率器件的市場(chǎng)規(guī)模將從2021年的9.8億美元，成長(zhǎng)至2025年的47.1億美元。碳化硅占據(jù)主要份額，2025年預(yù)計(jì)達(dá)到34億美元，略低于另一家的預(yù)測(cè)。

而在碳化硅功率器件的應(yīng)用領(lǐng)域中，新能源汽車是重中之重，2021年采購(gòu)量占全部用量的三分之二，之后這一比例還將逐漸提升，在2025年達(dá)到76%。

現(xiàn)在IGBT市場(chǎng)一年全球大約是80-110億美金，如果按照我的設(shè)想，降低到750美金的成本，吃掉增量市場(chǎng)就是30%，就有30多億美金了，如果降低到550億的成本， 能吃到存量市場(chǎng)至少要占50%以上，那是50多億美金。我認(rèn)為碳化硅會(huì)一直卷硅的IGBT/MOSFET，卷到到低于2000w產(chǎn)品，卷不動(dòng)為止，這至少有50%以上了，所以碳化硅干到50億美金的市場(chǎng)規(guī)模，我覺(jué)得未來(lái)是很有可能的。

六、盤(pán)點(diǎn)國(guó)內(nèi)碳化硅公司

1．碳化硅襯底公司現(xiàn)在至少有天岳，天科，同光晶體，中電2所，三安，神州科技，世紀(jì)金光，超芯星，中科鋼研，露笑，東尼，晶盛機(jī)電，以及浙江晶睿，大和熱磁等要進(jìn)軍的企業(yè)。

外延主要是瀚天天成和天域，天科，天岳也有一部分外延能力，中電科的國(guó)盛，普興等。

2.器件制造就更多了包括，華潤(rùn)微，士蘭微，瞻芯，世紀(jì)金光，泰科天潤(rùn)，基本半導(dǎo)體，三安，積塔，啟迪（長(zhǎng)光），揚(yáng)杰科技，中車時(shí)代，芯光潤(rùn)澤等等。

審核編輯：黃飛