碳化硅半导体的市场应用及预测

时间:2019-09-27

　　摘要：随着新能源产业的快速发展, 宽禁带半导体越来越受到人们的关注。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。在此, 针对宽禁带半导体的材料性能、碳化硅半导体的功率器件进行了介绍。此外, 也对碳化硅功率器件的封装技术进行了介绍。然后, 对于使用碳化硅功率器件较多的应用领域进行了分析。最后, 对于未来碳化硅半导体行业的技术发展趋势提出了展望。

　　关键词：宽禁带半导体; 碳化硅; 功率器件;

　　Abstract：With the fast growth of new-energy industry, Wide Band Gap (WBG) semiconductors have attracted more and more attention, among which Silicon Carbide (Si C) semiconductors have been widely implemented in many industrial applications. The review summaries the material properties of WBG semiconductors and power device family of Si C semiconductor. In addition, an introduction to the packaging technology for Si C power devices has also been given. Furthermore, the main applications for Si C power devices have been analyzed as well. Finally, the Si C technology development trend has been overviewed.

　　Keyword：wide band gap (WBG) semiconductors; silicon carbide (Si C) ; power device;
 

　　1 宽禁带半导体

　　1.1 国际国内的发展状况

　　1945年二次大战结束时, 美国贝尔实验室总裁巴克莱为了适应该室从战时转向和平时期的工作需要, 决定成立固体物理组, 由肖克莱负责半导体物理小组, 成员有巴丁、布拉顿、吉布尼、穆尔等人。他们根据各自在1930年代中期以后的经验和后来的考虑, 从刚开始成立时, 就把重点放在半导体材料硅和锗的研究上。在随后的半个世纪里, 以硅半导体为主的分立器件和集成电路得到了极大发展, 广泛应用在消费电子、工业控制, 汽车电子, 移动通信, 航天军工等等领域。据统计, 我国2014~2017年集成电路的进口额年均在2 000亿美元以上, 超过了石油 (数据来自海关总署网站) 。2014年9月, 我国国家集成电路产业投资基金 (简称大基金) 成立, 第一次以市场化投资的形式推动该产业。至2017年11月底, 大基金已实际出资约人民币794亿元, 成为IC领域快速投资促进上、下游协同发展的重要资金来源。

　　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[1], 最近几年以碳化硅 (Si C) 、氮化镓 (Ga N) 为代表的宽禁带半导体 (WBG Semi, Wide Band 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。据集邦科技预测, 国家大基金二期将锁定存储、碳化硅 (Si C) 、氮化镓 (Ga N) 等化合物半导体、以人工智能及物联网为主的IC设计等三大领域加强投资。以碳化硅半导体为主要代表的宽禁带半导体的春天正在来临。

　　1.2 主要半导体材料性能比较

　　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 (Si C) 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锌矿结构的3C-Si C和六方纤锌矿结构的4H-Si C和6H-Si C。同时, 单晶碳化硅 (Si C) 比单晶硅 (Si) 具有很多优越的物理特性, 如表1所示在高禁带宽度、高击穿电场和高热导率等方面都优于硅基半导体材料[2]。目前常用的碳化硅外延片 (Epitaxy Wafer) 是4H-Si C晶体结构。

　　1.3 宽禁带半导体比较

　　宽禁带半导体 (WBG) 在国内目前也被称为第三代半导体, 主要是和以硅半导体为主要代表的第一代半导体, 和以砷化镓 (Ga As) 半导体为主要代表的第二代半导体相对应。目前碳化硅半导体功率器件已经在开关电源 (SMPS) 行业得到了广泛应用, 碳化硅基的氮化镓射频器件也会在即将到来的5G射频功率放大器里大量应用。而硅基的氮化镓由于潜在的低成本因素, 期望能够在功率器件领域有所突破。

　　Yole Development CEO JC Eloy说[3], 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品质可靠, 并且提供更加便宜的系统解决方案。

　　2 碳化硅半导体芯片产品

　　2.1 碳化硅半导体功率器件

　　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。

　　(1) 一类是二极管类, 主要包括结型势垒肖特基二极管 (JBS, Junction Barrier Schottky) 和MPS二极管 (MPS, Merged Pi N Schottky) 。Pi N二极管和肖特基二极管 (SBD) 是最常用的两种功率整流器, 单极型的肖特基二极管 (SBD) 比双极型的Pi N二极管有更快的开关速度, 然而肖特基二极管 (SBD) 反向漏电流大、击穿电压低, 并不适合高压应用, 所以Pi N二极管是最早应用于高压系统的合理选择。在超高压领域10 000 V以上, 传统的Pi N二极管会更有优势。

　　结型势垒肖特基二极管 (JBS) 结合了肖特基势垒二极管 (SBD) 的快速开关特性和Pi N二极管的耐高压低泄漏电流特性。未来在高频功率电源、航天功率系统、核能探测和通信系统等领域有广阔的应用前景。与JBS比, MPS二极管引入了大电流条件下双极导通的特性, 正向导通电流密度更高从而具备了更好的抗浪涌能力。

　　(2) 另外一类是场效应晶体管类 (FET) , 包括结型场效应晶体管 (JFET) , 金属-氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 等等。

　　结型场效应晶体管 (JFET, Junction Field-Effect Transistor) 是在同一块N形半导体上制作两个高掺杂的P区, 并将它们连接在一起, 所引出的电极称为栅极G, N型半导体两端分别引出两个电极, 分别称为漏极D, 源极S。结型场效应晶体管是一种具有放大功能的三端有源器件, 是单极场效应管中最简单的一种, 它可以分N沟道或者P沟道两种。

　　金属-氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET, Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) 是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效应晶体管。MOSFET依照其工作载流子的极性不同, 可分为“N型”与“P型”的两种类型, 通常又称为NMOSFET与PMOSFET。目前商用化的碳化硅MOSFET均指N型的MOSFET。

　　2.2 国外主流厂家的发展历程

　　根据IHS在APEC 2016会议上提供的“鱼刺骨图”报告, 我们可以清晰地看到国外主流厂家的发展历程 (图1) 。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。在日本, 罗姆 (Rohm) 、富士电机 (Fuji Electric) 和瑞萨电子 (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600 V~1 700 V电压等级和50 A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。早期的碳化硅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。

　　在过去的五年内, 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, 碳化硅二极管已经初步进入量产, 碳化硅MOSFET也在研究中。

　　2.3 第一片国产6英寸碳化硅 (Si C) MOSFET晶圆

　　2018年5月, 第一片国产6英寸碳化硅 (Si C) MOSFET晶圆诞生于临港科技城园区企业上海瞻芯电子科技有限公司 (图2) 。上海瞻芯电子是一家由海归博士领衔的无晶圆厂 (Fabless) 半导体初创公司, 齐集了海内外一支经验丰富的工艺、器件、电路设计、系统应用、市场推广和商务管理的高素质核心团队。公司致力于开发以碳化硅功率器件为核心的高性价比功率芯片和模块产品, 为电源和电驱动系统的小型化、高效化和轻量化提供完整的半导体解决方案。

　　上海瞻芯电子于2017年10月上旬完成工艺流程、器件和版图设计, 在10月到12月间完成初步工艺试验。并且从2017年12月开始正式流片, 在不到5个月内成功地在一条成熟量产的6英寸工艺生产线上完成碳化硅MOSFET的制造流程。晶圆级测试结果表明, 各项电学参数达到预期, 为进一步完成工艺和器件设计的优化奠定了坚实基础。

　　2.4 碳化硅MOSFET栅极驱动芯片 (GateDriver)

　　MOSFET栅极驱动芯片主要是为了使MOSFET发挥更优性能, 从硅半导体时代也是如此。

　　目前, 现状是: (1) 市场上还很少有专用碳化硅MOSFET栅极驱动芯片。 (2) 一些用到碳化硅MOSFET的应用方案目前在用硅MOSFET栅极驱动芯片搭配外围辅助电路来实现相关功能, 造成应用方案相对复杂。 (3) 还有一些用到碳化硅MOSFET的应用方案还在用硅IGBT栅极驱动芯片, 由于保护响应时间过长, 无法有效地保护碳化硅MOSFET。

　　3 碳化硅半导体的封装类型

　　3.1 常用封装类型

　　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还是沿用了硅功率器件。目前碳化硅二极管的常用封装类型还是TO220为主, 碳化硅MOSFET的常用封装类型还是TO247-3为主。

　　3.2 新型封装类型

　　(1) TO247-4。新的TO247-4 4针封装提供一个驱动控制专用直接源极针脚, 而传统封装是驱动和功率共用一个针脚。增加的针脚能够提高开关能效, 降低开关损耗, 支持更高的开关频率, 进一步降低电源尺寸。TO247-4封装集成了实现至源极开尔文 (Kelvin) 连接的内部结构, 这个连接旁通了主电源连接的共源电感, 可消除高达60%的开关损耗, 设计人员可使用更高的开关频率和更小的滤波器件。

　　据说意法半导体推出首款采用全新封装技术的MDmesh V超结MOSFET晶体管。这种封装类型对于碳化硅MOSFET应该也有较好的参考意义。图3是这款产品的封装外形和大致电学模型。

　　(2) D2PAK封装。2018年6月, 德国英飞凌公司进一步壮大其薄晶圆技术TRENCHSTOP™5IGBT产品阵容。新的产品家族可提供最高40 A 650V IGBT, 它与IGBT相同额定电流的二极管组合封装到表面贴装TO-263-3 (亦称D2PAK) 封装中。这种表面贴装的D2PAK封装可以实现最大功率密度。碳化硅厂商美国科瑞公司也在开始研究这种新型封装在碳化硅功率器件上的应用。

　　3.3 碳化硅模块封装

　　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, 并有效地结合功率器件与不同的应用方案, 模块封装的研究早已提上了议题。

　　但是, 功率器件的封装技术成为摆在大家面前的一个瓶颈[4]。主要问题包括高开关速度引起的高dv/dt和di/dt, 高运行温度和高电场强度。后续会深入研究相关的问题。

　　目前常用全碳化硅功率模块还是碳化硅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。驱动芯片与碳化硅MOSFET距离较远, 而无法发挥碳化硅MOSFET最优的性能。所以从业者也在研究把碳化硅MOSFET驱动芯片集成到功率模块内部, 形成智能功率模块即IPM。

　　4 碳化硅半导体的市场应用与预测

　　众所周知, 碳化硅半导体功率器件可以应用在新能源领域。2018年, 全国政协十三届一次会议分组讨论政府工作报告。全国政协委员、清华大学汽车安全与节能国家重点实验室主任、中科院院士欧阳明高表示, 我国新能源汽车近年发展突飞猛进, 在政府工作报告中也几次被提及, 未来的发展方向就是要用新能源汽车取代传统汽车。

　　“现在我们新能源汽车所用的电可能还有煤电, 未来光伏发电就会占有更多比重, 甚至全部使用光伏发电。”欧阳明高说, 光伏需要新能源汽车来储能, 而新能源汽车也需要完全的可再生能源。下一步两者的结合将形成新的增长点。在欧阳院士提到的三种主要应用“光伏逆变器+储能装置+新能源汽车”中, 碳化硅 (Si C) MOSFET功率器件都是不可或缺的重要半导体器件。

　　碳化硅半导体现有主要应用。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。包括国际国内相关学术机构, 例如IEEE PELS分会和中国电源学会, 电源模块公司和终端产品设备公司包括光伏逆变器和充电桩等等, 以及功率器件供应商例如罗姆、科瑞和英飞凌等等, 最近两三年密集地组织了宽禁带 (碳化硅) 半导体行业交流会议。

　　(1) 光伏逆变器 (PV Inverter) 。国内著名光伏逆变器公司合肥阳光电源, 近期在某论坛上介绍, 已经累计出货超过15万台使用碳化硅功率器件的光伏设备, 其中已经累计使用超过150万颗碳化硅功率器件。同时, 明确指出, 使用碳化硅功率器件后有利于降低功耗, 显著提高开关频率, 得到更高的效率和功率密度, 并有效降低系统成本和运维成本[5]。

　　(2) 充电桩 (Charge Pile) 。这里主要是指大功率直流充电桩, 国内目前通常是60 k W功率等级。国际著名电源模块公司台达电源, 近期在某论坛上介绍了电动汽车的充电场景, 并表示基于英飞凌碳化硅模块easy 1B和2B的基础上, 提出自有的多种应用拓扑图模式, 成功地为欧盟350 k W大功率充电站提供了全面解决方案[6]。

　　(3) 新能源汽车。根据中国汽车工业协会统计, 2017年我国新能源汽车累计产销数量分别为79.4万辆和77.7万辆。

　　车载充电器 (OBC) 。这里主要是指小功率交流充电器, 输入电压为AC 220V。目前国内该行业龙头企业比亚迪和欣锐科技都已经使用了碳化硅功率器件, 并且取得了良好的产品性能和市场影响力。由于相关公司在2017年的大举上量, 造成国际上某著名碳化硅功率器件公司供货严重不足。2018年开始, 罗姆、英飞凌和三菱 (Mitsubishi) 等公司开始扩大功率半导体生产线产能。

　　电机驱动控制器 (Motor Drive) 。汽车行业正在经历从基于内燃机的传统燃油车向基于电动机的新能源汽车HEV/EV的转变过程中。自从国际著名汽车公司日本丰田公司宣布与日本电装株式会社 (DENSO) 合作开发了全球第一款全碳化硅功率器件的电机驱动控制器后, 国际国内相关企业都开展了深入的研究。美国著名公司特斯拉Tesla宣布在他的Model 3车型使用了碳化硅功率器件的电机驱动控制器。中国科学院电工研究所近期也在某论坛上发表了相关研究进展包括EMI研究[7]。

　　(4) 智能电网:在高压电网传输过程中, 通常会采用3 k V以上功率器件例如硅IGBT或者碳化硅MOSFET。鉴于目前碳化硅10 k V MOSFET还相对较少, 美国University of Arkansas教授Alan Mantooth研究指出, 可以采用多颗1 200 V MOSFET串联起来的拓扑图应用方案用于承受10k V高电压[8]。

　　5 结语

　　碳化硅材料产业发展。碳化硅材料主要包括碳化硅衬底片 (Substrate) 和外延片 (Epitaxy Wafer) 。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品质上取得质的突破。

　　芯片设计思路发展的几个问题。

　　(1) 沟槽型碳化硅MOSFET将会成为未来主流发展方向。

　　(2) 碳化硅MOSFET的体二极管性能能否得到进一步优化, 今后在系统应用层面可以减少碳化硅二极管的并联使用, 也可以减少系统应用方案的总体成本。

　　(3) 高压例如10 k V以上碳化硅MOSFET甚至碳化硅IGBT的研究与发展

　　(4) 碳化硅MOSFET驱动芯片可以根据系统应用方案进一步功能细化, 更好地优化碳化硅MOSFET的综合性能。

　　芯片产品的封装发展。碳化硅MOSFET封装类型的丰富和优化, 例如TO247-4, D2PAK及其他更加新型的芯片封装类型。模块化封装的集成与发展:芯片级封装类型 (waferlevel, COC等) , 2.5D/3D封装类型, 更多元器件从驱动板上转移到模块里面[9]。

　　大功率智能功率模块IPM是否可行, 如何发展同样值得研究。

　　系统应用拓展。在基于碳化硅功率器件的现有新能源系列应用方案中, 进一步发挥碳化硅半导体的优势, 提升电源模块效率, 并减少能耗。

　　结合碳化硅功率器件的使用, 如何优化传统电子产品的电源模块拓扑图并做到减少磁性材料的使用, 进一步减少电源模块体积和整体成本。研究超高压应用方案中, 碳化硅功率器件的有效应用。研究高可靠性应用方案中, 碳化硅功率器件的有效应用。

　　参考文献
　　[1]J.A.Cooper, M.R.Melloch, R.Singh, A.Agarwal, and J.W.Palmour.Status and prospects for Si C power MOSFETs[J].IEEE Transactions on Electron Devices, 2002, 49 (04) :658-664.
　　[2]Ozpineci, B.Comparison of Wide-Bandgap Semiconductors for Power Electronics Applications[EB/OL]. (2016-02-16) [2018-06-12].http://www.doc88.com/p-1327607496183.html.
　　[3]JC Eloy.Status of Power electronics, MEMS and Sensor Industry[M].Yole Review, SIMITCAS, Shanghai, 2018.
　　[4]B.Passmore et al.Wide bandgap packaging for next generation power conversion systems[C].4th IEEE International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems (PEDG) , IEEE, 2013:1-5.
　　[5]Liying Xue of Sungrow.Si C power devices in the application of PV inverter[C].Infineon SiC Development Forum (Shenzhen) , 2018.
　　[6]Chao Yan of Delta.Si C application on high power EV charging station[C].Infineon Si C Development Forum (Shenzhen) , 2018.
　　[7]温旭辉.车用高功率密度Si C逆变器EMI预测[C].国际新能源汽车功率半导体关键技术论坛 (北京) , 2018.
　　[8]Alan Mantooth.Evaluation of 1.2 k V Si C MOS in modular multilevel cascaded H-Bridge3-phase inverter for medium volt grid[C].Wi PDA Asia (Xi'an) , 2018.
　　[9]Alan Mantooth.Emerging trends in Si C Power Electronics[C].Wi PDA Asia (Xi'an) , 2018.

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