純硅功率半導體有著令人羨慕的性能與市場成績，然而，對于高要求的功率開關(guān)和控制的應用上，它似乎已經(jīng)到達了極限。在越來越多的功率電子學應用中，碳化硅 （SiC） 功率器件日益普遍，尤其是在太陽能逆變器的設(shè)計中。設(shè)計工程師尤為青睞 SiC肖特基二極管，用于開發(fā)新的逆變器設(shè)計，因為這比采用硅功率器件的逆變器更緊湊、更高效、更可靠。自從 SiC 二極管引入市場十多年來，無論是器件設(shè)計還是可靠性參數(shù)都經(jīng)歷了巨大的演進變化。這些變化為商業(yè)市場帶來了更廣泛的 SiC產(chǎn)品組合。碳化硅（SiC），作為一種新型化合物半導體材料，具有潛在的優(yōu)點：更小的體積、更高的效率、更低的開關(guān)損耗與漏電流、比純硅半導體更高的開關(guān)頻率以及在標準的125℃結(jié)溫以上工作的能力。小型化和高工作耐溫使得這些器件的使用更加自如，甚至可以將這些器件直接置于電機的外殼內(nèi)。
功率半導體的SiC之路
圖1 SiC JFET
SiC功率半導體器件發(fā)展歷程
任何一種新技術(shù)都會經(jīng)歷由發(fā)展到成熟的過程，SiC 也不例外。標準功率開關(guān)，如絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），有很大的產(chǎn)品基礎(chǔ)和優(yōu)化的生產(chǎn)技術(shù)。而SiC 卻需要投入大量經(jīng)費和研發(fā)資金來解決材料問題和完善半導體制造技術(shù)。然而這種功率開關(guān)器件，能夠在正向?qū)ù箅娏骱头聪蚪刂骨Х妷褐g快速執(zhí)行開關(guān)動作，這樣的性能是值得我們一試的。SiC 最初的成功應用和主要應用為發(fā)光二極管，用于汽車頭燈和儀表盤其他照明場合。其他的市場包括開關(guān)電源和肖特基勢壘二極管。將來會應用到包括混合動力車輛、功率轉(zhuǎn)換器和交流/ 直流電機控制上。這些更高要求的應用還沒有商業(yè)化，因為它們需要高質(zhì)量的材料和大規(guī)模的生產(chǎn)力來降低成本。在全世界范圍內(nèi)，大量的研究經(jīng)費投入到了公司和實驗室，以使SiC 技術(shù)更加可行。一些專家預言，SiC技術(shù)的商業(yè)化、工業(yè)化甚至軍工應用將在2 到5 年或者更遠的時間內(nèi)變成現(xiàn)實。電機控制生產(chǎn)商對于SiC 的發(fā)展特別有興趣，有些甚至與研究人員和半導體生產(chǎn)商進行合作來促進SiC 的發(fā)展。
功率半導體的SiC之路
圖2 SiC 二極管發(fā)展歷程
SiC功率器件市場前景廣闊
SiC 是GaN 之外另外一種第三代半導體材料，由于性能不同，二者的應用領(lǐng)域也不相同。GaN 主要用在微波器件上，而SiC 則主要作為大功率高頻功率器件。以SiC 為材料的二極管、IGBT、MOSFET 等器件，未來有望在新能源汽車等領(lǐng)域取代Si功率器件。目前SiC 二極管價格是Si 二極管價格的5-7 倍，SiC 結(jié)晶場效應管價格是Si 結(jié)晶場效應管價格的5-7 倍，SiC MOSFET價格是Si MOSFET價格的10-15 倍。因此若要SiC 產(chǎn)業(yè)迅速崛起，除了技術(shù)的不斷進步之外，降低成本亦尤為關(guān)鍵。
功率半導體的SiC之路
圖3 SiC 和 GaN 取代現(xiàn)有硅功率器件向的方
2014 年全球SiC 功率半導體市場僅為約2 億美元，規(guī)模尚小，其應用領(lǐng)域也主要在電力供應、太陽能逆變器等領(lǐng)域。而未來，隨著新能源汽車和工業(yè)電機不斷采用SiC 材料，在8-10 年的范圍內(nèi)，SiC 半導體市場容量有望超過20 億美元。目前全球SiC 半導體市場處于絕對領(lǐng)先的企業(yè)是Cree，占據(jù)了85%以上的市場份額。
功率半導體的SiC之路
圖4 全球 SiC 功率半導體市場規(guī)模預測
SiC功率器件路途坎坷
并不是每一個人都同意碳化硅功率器件的應用前景。ABB公司是高功率半導體的專家，但是在2002年，瑞典的聯(lián)合開發(fā)中心，終止了SiC 開發(fā)項目。公司半導體研發(fā)部對于此舉措的一個解釋是由Basel 平面斷層導致的雙極導通衰減效應，這反映了單純基于高電壓/高功率應用的SiC器件的前景并不明朗。ABB Switzerland Semiconductors研發(fā)部的總工程師說：“碳化硅短期上適合低電壓單極型二極管，它也有潛力用于高頻場合中的低功率雙極晶體管和結(jié)型場效應晶體管。SiC從長遠上看，它在高壓應用領(lǐng)域還是比其他種類的開關(guān)器件更值得關(guān)注的。”
對于SiC技術(shù)的快速開關(guān)能力，ABB Semiconductors 認為，這種高頻工作能力僅在低雜散電感的環(huán)境中才適用，例如低功率/ 低壓系統(tǒng)中。在高功率系統(tǒng)中，雜散電感很大，要求半導體緩慢地執(zhí)行開關(guān)動作。對于SiC器件，這就意味著讓它慢慢地開關(guān)，以適應緩沖器的要求，這會重新引入損耗，而這些損耗原本就是試圖采用昂貴的SiC 器件來消除的。
另外，現(xiàn)在SiC底層材料的價格是普通Si材料的100 倍（對于3 英寸的SiC晶片），將來或許會降至10倍。雖然SiC 晶片的質(zhì)量有所提升，器件生產(chǎn)商可以適用更小的模具，同時保證產(chǎn)量，但是更大尺寸的模具的產(chǎn)量就很低了。相對于晶片直徑6英寸和12英寸的單片集成電路二極管器件，4 英寸的SiC晶片，質(zhì)量仍舊很差。Si晶片的生產(chǎn)次品率很低，領(lǐng)先SiC 功率器件5 到10 年。對于高功率SiC 器件的時間線可能更長。其他的開發(fā)人員也意識到了SiC 的缺點，但是仍在繼續(xù)開發(fā)并試圖改進。
功率半導體的SiC之路期待突破
電力電子器件的發(fā)展歷史大致可以分為三個大階段：硅晶閘管（可控硅）、IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）和剛顯露頭角的碳化硅（SiC）系列大功率半導體器件。晶閘管發(fā)展已有近六十年歷史，技術(shù)成熟也得到廣泛應用，可以借鑒它的歷史來預測碳化硅功率器件。想當初IGBT興起時，與晶閘管參數(shù)指標相差極大，晶閘管已能做到2-3KV、2-3KA時，IGBT僅僅是電流過百、電壓過千。在短短的二十幾年間，IGBT從第一代迅速發(fā)展到第六代，電壓和電流已與晶閘管并駕齊驅(qū)，顯示出IGBT優(yōu)越性能。晶閘管能干的IGBT全能干、IGBT能干的晶閘管干不了，在相當大的一片應用領(lǐng)域里IGBT因其不可替代的優(yōu)越性能獨居鰲頭。但是晶閘管仍以其比較高的性價比守住了自己的大片陣地。碳化硅材料技術(shù)的進展已使部分碳化硅功率器件用于實際成為可能。但還有許多關(guān)鍵的技術(shù)問題需要解決。晶閘管電流從小到大、電壓從低到高經(jīng)歷了數(shù)十年的風風雨雨，IGBT也有這樣的一個不凡的過程。可見SiC功率器件的發(fā)展也會有一個漫長的過程。