炙手可熱的SiC功率元器件究竟是何方神圣？為何世界巨頭公司羅姆、意法半導(dǎo)體、英飛凌、科銳紛紛發(fā)力于它？如今電子世界風(fēng)云變幻，這或許是一場改變戰(zhàn)局的機(jī)會(huì)？

第三代半導(dǎo)體材料以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表，因其禁帶寬度(Band gap) Eg≥3.0電子伏特（eV），又被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料。除了碳化硅(SiC) 、氮化鎵( GaN)，氧化鋅(ZnO)、金剛石、氮化鋁(AlN)也是寬禁帶半導(dǎo)體材料。而從目前第三代半導(dǎo)體材料和器件的研究來看，最成熟的是SiC半導(dǎo)體材料，其次是GaN，氧化鋅、金剛石、氮化鋁等材料的研究尚屬起步階段。本篇文章讓我們一起了解功率元器件中的“大圣”——SiC功率元器件。

“大圣”的七十二地煞術(shù)

SiC材料與Si的特性對比

1、坐火——耐高溫

由于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度決定器件的工作溫度，禁帶寬度越大，器件的工作溫度越高。因此，普通Si只能達(dá)到150℃~200℃，SiC器件的工作溫度可以高達(dá)600℃，并具有極好的抗輻射性能。一些要求在350~500℃下工作的高溫集成電路，比如，航空設(shè)備(渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、飛行器的電氣自動(dòng)化)、核能儀器、衛(wèi)星、空間探測器、地?zé)峋葓鼍跋?，SiC器件都能得到廣泛的應(yīng)用。

SiC材料比Si材料熱導(dǎo)率高近3倍。SiC材料制作的集成電路可以減小甚至不用散熱系統(tǒng)，可以有效的減輕體積和重量，大大提高系統(tǒng)集成度。并能在高溫和高輻射的環(huán)境中改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。這正符合航空二次電源對體積、重量、可靠性等方面的高標(biāo)準(zhǔn)要求。

2、擔(dān)山——耐高壓

SiC的擊穿場強(qiáng)高，SiC的擊穿電場約為2.8MV/cm，這個(gè)值大約是Si材料（0.3MV/cm）的10倍。這使得SiC功率半導(dǎo)體器件的最高工作電壓比同類的Si器件高得多，如Si肖特基二極管最高阻斷電壓在一兩百伏，而SiC肖特基二極管的阻斷電壓最高已經(jīng)達(dá)到1700V。因此，SiC的高擊穿場強(qiáng)特性使其更容易實(shí)現(xiàn)航空系統(tǒng)中對功率半導(dǎo)體器件的耐高壓的要求，譬如可以用SiC制作擊穿電壓很高的PIN二極管和IGBT。

3、神行——更高頻高效

SiC材料的最大電子飽和速度是Si材料的2倍，有更高的電流密度和更快的開關(guān)速度，適合于高頻和大功率應(yīng)用。

功率半導(dǎo)體器件的比導(dǎo)通電阻跟材料擊穿電場的立方成反比，SiC具有比Si材料高一個(gè)數(shù)量級的擊穿電場，因此SiC器件有更小的比導(dǎo)通電阻。在相同擊穿電壓下，SiC器件的比導(dǎo)通電阻理論值只有Si器件的百分之一。低的比導(dǎo)通電阻會(huì)減小損耗，帶來系統(tǒng)效率的提高。在相同電壓和芯片尺寸下，SiC器件可以降低90%的電阻，產(chǎn)生更少的散熱。

4、壺天——更小尺寸

關(guān)于SiC器件的“低阻值”可以單純解釋為減少損耗，但阻值相同的話就可以縮小元件（芯片）的面積。應(yīng)對大功率時(shí)，有時(shí)會(huì)使用將多個(gè)晶體管和二極管一體化的功率模塊。例如，SiC功率模塊的尺寸可達(dá)到僅為Si的1/10左右。關(guān)于“高速工作”，通過提高開關(guān)頻率，變壓器、線圈、電容器等周邊元件的體積可以更小。實(shí)際上有能做到原有1/10左右的例子。關(guān)于“高溫工作”是指容許在更高溫度下的工作，可以簡化散熱器等冷卻機(jī)構(gòu)。

所以說，基于SiC功率器件阻斷電壓高、工作頻率高、耐高溫工作能力強(qiáng)，同時(shí)又具有開關(guān)損耗小和比導(dǎo)通電阻低等優(yōu)勢，采用其可以大大降低裝置的功耗、縮小裝置的體積。

SiC幫助器件實(shí)現(xiàn)小型化

碳化硅（SiC）是一種寬帶隙材料，與硅相比，具有許多優(yōu)點(diǎn)。不過，寬帶隙材料比硅基材料的量產(chǎn)難度更高。接下來，我們要來談?wù)動(dòng)袑?shí)力擁有SiC功率元器件產(chǎn)品線的知名企業(yè)。

技術(shù)的發(fā)展是歷史的必然

當(dāng)歷史的車輪來到千禧年。碳化硅終于迎來了歷史的突破。在2001年，德國英飛凌（Infineon）公司率先發(fā)布碳化硅肖特基功率二極管產(chǎn)品，同年美國Cree公司也實(shí)現(xiàn)了碳化硅肖特基功率二極管的產(chǎn)業(yè)化。由于碳化硅晶體管的技術(shù)難度大，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度落后于二極管。2010年，日本Rohm公司首先量產(chǎn)SiC MOSFET產(chǎn)品，2011年美國Cree公司開始銷售SiC MOSFET產(chǎn)品。而由于SiC IGBT和GTO等器件的生產(chǎn)技術(shù)難度更大，仍處于研發(fā)階段，距離產(chǎn)業(yè)化有較大的差距。SiC JBS二極管和MOSFET晶體管由于其性能優(yōu)越，成為目前應(yīng)用最廣泛、產(chǎn)業(yè)化成熟度最高的碳化硅功率器件。

目前，國際上主要的碳化硅功率器件產(chǎn)業(yè)化公司有美國Wolfspeed、德國Infineon、日本Rohm、歐洲的意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）、日本三菱（Mitsubishi），這幾家大公司約占國際市場的90 %，另外，美國通用電氣（GE）、日本豐田（Toyota）、日本富士（Fuji）、日本東芝（Toshiba）、MicroSemi、USCi、GeneSiC等公司也開發(fā)了碳化硅功率器件產(chǎn)品。

在SiC二極管產(chǎn)品方面，美國Wolfspeed（包括Cree）、德國Infineon公司已經(jīng)推出了五代 SiC JBS產(chǎn)品；其中Wolfspeed的第四代及以前的產(chǎn)品為平面型，第五代為溝槽型，并且在第五代650 V器件中采用了晶圓減薄工藝將碳化硅晶圓由370μm減薄至180μm，進(jìn)一步提高了器件的性能。羅姆公司開發(fā)了三代SiC二極管，最新產(chǎn)品也采用了溝槽型結(jié)構(gòu)。Infineon公司的前四代SiC二極管以600 V、650 V產(chǎn)品為主，從第五代開始推出1200 V產(chǎn)品，即將推出第六代低開啟電壓的SiC JBS產(chǎn)品。

在SiC MOSFET器件方面，Wolfspeed公司推出600 V、1200 V和1700 V共三個(gè)電壓等級、幾十款平面柵MOSFET器件產(chǎn)品，電流從1 A～50 A不等；2017年3月，美國Wolfspeed公司發(fā)布了900 V/150 A的SiC MOSFET芯片，是目前單芯片電流容量最大的SiC MOSFET產(chǎn)品；羅姆公司的SiC MOSFET產(chǎn)品有平面柵和溝槽柵兩類，電壓等級有650 V和1200 V；意法半導(dǎo)體開發(fā)了650 V和1200 V兩個(gè)電壓等級的SiC MOSFET產(chǎn)品，Infineon公司也推出了溝槽柵的1200 V SiC MOSFET產(chǎn)品。另外，GeneSiC公司開發(fā)了1200 V和1700 V的 SiC BJT產(chǎn)品，Infineon和USCi公司開發(fā)了1200 V的SiC JFET產(chǎn)品。在研發(fā)領(lǐng)域，國際上已經(jīng)開發(fā)了10 kV以上的JBS、MOSFET、JFET、GTO等器件樣品，以及20 kV以上的PiN、GTO和IGBT器件樣品，由于受到碳化硅材料缺陷水平、器件設(shè)計(jì)技術(shù)、芯片制造工藝、器件封裝驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及市場需求的制約，以上高壓器件短期內(nèi)無法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

盤點(diǎn)那些在SiC功率元器件領(lǐng)域的佼佼者

羅姆（ROHM）

與其他SiC廠商相比，羅姆的最大優(yōu)勢在于是一條龍的生產(chǎn)體制。羅姆于2000-2002年開始SiC的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，在2009年時(shí)ROHM收購了生產(chǎn)SiC晶圓制造商德國SiCrystal公司，有了它提供材料，ROHM會(huì)在德國完成晶圓，然后在日本的福岡、京都做芯片的封裝和SiC模組，據(jù)介紹，ROHM是全球屈指可數(shù)的進(jìn)行碳化硅功率器件一條龍生產(chǎn)的廠家。

羅姆從2010年在日本率先開始了SiC SBD量產(chǎn)，全球第一SiC MOS量產(chǎn)，2012年全SiC模塊全球第一量產(chǎn)，到2015年全球首發(fā)溝槽型SiC MOS量產(chǎn)。

溝槽型MOSFET最大的不同在于它的門極部分為溝槽結(jié)構(gòu)，可提高cell密度，從而打造導(dǎo)通損耗更低、開關(guān)性能更好的元器件。其導(dǎo)通電阻與平面型SiC-MOSFET相比降低約50%，同時(shí)輸入電容降低約35%，有效地提高了開關(guān)性能。基于溝槽結(jié)構(gòu)SiC-MOSFET的優(yōu)勢，羅姆又開發(fā)出采用該器件的“全SiC”功率模塊。模塊內(nèi)部電路為二合一（2in1）結(jié)構(gòu)，采用SiC-MOSFET及SiC-SBD，額定電壓為1200V，額定電流達(dá)到180A。與同等水平額定電流的Si-IGBT模塊產(chǎn)品相比，有很大優(yōu)勢。即使與使用平面型SiC-MOSFET的“全SiC”模塊相比，其開關(guān)損耗也降低約42%。這將大幅降低太陽能發(fā)電用功率調(diào)節(jié)器和工業(yè)設(shè)備用電源、工業(yè)用逆變器等所有相關(guān)設(shè)備的功率損耗，對于太陽能發(fā)電用功率調(diào)節(jié)器和工業(yè)設(shè)備用電源等所有設(shè)備的節(jié)能化、小型化、輕量化起著關(guān)鍵性的作用。

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英飛凌（Infineon）

全球唯一一家提供硅(Si)、碳化硅(SiC)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和氮化鎵(GaN)器件的公司

全球第一家基于SiC二極管的公司，2001年已在市場上推出SiC二極管，隨后2006年全球首個(gè)包含SiC元件的商用電源模塊。同時(shí)，第五代此類零件可作為分立器件提供。