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[导读]作为第三代半导体中的明星,碳化硅因为其独有的特性和优势受到各方青睐。尤其是时下电动汽车市场的火爆,助推了碳化硅器件的发展与应用。不过,作为新兴事物,碳化硅器件的产品良率及价格问题使得其应用变得扑朔迷离。碳化硅器件到底好在哪?目前主要应用领域?成本与硅相比差多少?发展前景如何?最近,碳化硅主要供应商罗姆半导体公司举办座谈会,罗姆半导体(北京)有限公司技术中心所长水原德建先生就这些问题进行了详细介绍。

作为第三代半导体中的明星,碳化硅因为其独有的特性和优势受到各方青睐。尤其是时下电动汽车市场的火爆,助推了碳化硅器件的发展与应用。不过,作为新兴事物,碳化硅器件的产品良率及价格问题使得其应用变得扑朔迷离。碳化硅器件到底好在哪?目前主要应用领域?成本与硅相比差多少?发展前景如何?最近,碳化硅主要供应商罗姆半导体公司举办座谈会,罗姆半导体(北京)有限公司技术中心所长水原德建先生就这些问题进行了详细介绍。

 

 

碳化硅的特性优势

碳化硅(SiC)是具有1x1共价键的硅和碳的化合物半导体,被视为第三代宽带隙半导体材料的重要组成单元,业界普遍认为其具有广阔的应用前景。

作为宽带隙半导体,碳化硅具有宽的禁带宽度(禁带宽度大于2.2ev)、高热导率、高击穿电场、高抗辐射能力、高电子饱和速率等特点,这使得碳化硅特别适用于需要高温、高频、抗辐射及大功率器件的应用中。

 

 

上图展示了碳化硅和硅及GaN在5大特性方面的对比,可以看出,碳化硅在各方面都比硅性能要好得多,即便是和同样第三代宽带隙半导体的GaN相比,碳化硅在热导率特性上也要更优异。

和硅相比,碳化硅具有更高耐压,从而可以使半导体层更薄、阻值更低,碳化硅也因其更低的功耗而成为电力电子领域最具前景的材料。

碳化硅为终端应用带来的好处

碳化硅材料的天生优势赋予了碳化硅基器件的强大性能,使用碳化硅替代硅,我们能获得哪些好处呢?

首先碳化硅所具有的更低阻抗使最终器件的尺寸更小,效率更高;其次,碳化硅器件可以在更高频率下运行,从而可以使用更小的被动元器件;另外,碳化硅器件可以在更高的温度下运行,因此,就降低了系统冷却要求,可以使用更简单更小型的冷却系统。另外,SiC-SBD与Si-FRD相比恢复特性也很优异,其恢复过程几乎不受电流、温度的影响。SiC-MOS与Si-IGBT和Si-MOS的开关特性相比,关断时的损耗大幅减小,体二极管的恢复特性更好。

例如,对于一个5kW的DC/DC转换器,如果使用SiC MOSFET替代Si IGBT,损耗可以降低63%,体积也大大减小,整个系统的重量从原来的7kg降为0.9kg。体积和重量之所以大幅下降,是因为里面使用的SiC芯片更小,功耗更低,下面的散热板也就相应变小了,而且频率提高后,周边器件包括变压器、线圈都可以做的很小,整体而言,体积和重量就降下来了。

 

 

在电动方程式大赛中,SiC带来的优势更是让人印象深刻。罗姆在2016年第三赛季开始与文图瑞Formula E车队进行技术合作。文图瑞赛车的逆变器在第二赛季的时候使用的还是传统IGBT?,在第三赛季的时候用上了罗姆的IGBT加上SiC的肖特基,在第四赛季时采用了罗姆的全SiC?,所谓全SiC就是SiC的MOS加上SiC的肖特基。结果显示,相比第二赛季,第三赛季的逆变器重量减轻了两公斤,尺寸减少了19%,而第四赛季搭载全SiC之后,重量减轻了将近6公斤,尺寸减少了43%。最直接的好处是重量降下来之后,赛车的行驶距离更长了。

适于碳化硅器件的用武之地

虽然碳化硅材料具有比硅更好的特性,但并非可以完全取代硅。作为最广泛的半导体材料,硅仍然具有它的不可替代的应用领域。

 

目前来看,基于碳化硅材料的功率半导体适合应用于高频高功率高工作电压的应用场合。例如,光伏储能和数据中心服务器领域,已经在广泛使用碳化硅器件,随着碳化硅MOS的工作电压的提高,未来高速铁路、风电等领域也是碳化硅的潜在应用市场,同时,时下的电动汽车是碳化硅的一个热点市场。

 

 

综合来看,SiC在一些特定应用中正在迅速取代原来的硅基产品,同时,由于其的新特性,SiC器件正在新兴应用领域中迅速扩展。

碳化硅器件和硅器件的成本对比

 

一般来看,碳化硅器件比硅器件价格高,所以采用碳化硅后终端产品成本相对来说也要高一些。但如果综合考虑整体成本,事实上并没有增加。对于整车厂来说,使用SiC可以提高逆变器效率,从而能够降低电池容量和成本,平衡一下,结果是提高了效率而整体价格并没有提高。另外,电池的降价也会平衡使用碳化硅器件的成本。总体来看,罗姆认为,大约到2021年左右,汽车采用碳化硅后会带来整体价格上的下降。

碳化硅厂商的应对之策

为了满足市场应用需求,碳化硅厂商也在不断提升生产能力,以满足市场需求。

 

 

 

 

罗姆半导体是全球主要的碳化硅生产供应商,它还是少有的可以提供从碳化硅晶棒生产到晶圆制造,再到封装组装等完全垂直整合制造工艺的厂商。罗姆的碳化硅产品不仅提供SiC-SBD、SiC-MOS,还提供碳化硅功率模组,未来会在提供更大尺寸的晶圆,提升碳化硅器件的工作电流电压、提供更多类型的封装形式上加大投入力度。

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