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[導讀]作為第三代半導體中的明星,碳化硅因為其獨有的特性和優勢受到各方青睞。尤其是時下電動汽車市場的火爆,助推了碳化硅器件的發展與應用。不過,作為新興事物,碳化硅器件的產品良率及價格問題使得其應用變得撲朔迷離。碳化硅器件到底好在哪?目前主要應用領域?成本與硅相比差多少?發展前景如何?最近,碳化硅主要供應商羅姆半導體公司舉辦座談會,羅姆半導體(北京)有限公司技術中心所長水原德建先生就這些問題進行了詳細介紹。

作為第三代半導體中的明星,碳化硅因為其獨有的特性和優勢受到各方青睞。尤其是時下電動汽車市場的火爆,助推了碳化硅器件的發展與應用。不過,作為新興事物,碳化硅器件的產品良率及價格問題使得其應用變得撲朔迷離。碳化硅器件到底好在哪?目前主要應用領域?成本與硅相比差多少?發展前景如何?最近,碳化硅主要供應商羅姆半導體公司舉辦座談會,羅姆半導體(北京)有限公司技術中心所長水原德建先生就這些問題進行了詳細介紹。

 

 

碳化硅的特性優勢

碳化硅(SiC)是具有1x1共價鍵的硅和碳的化合物半導體,被視為第三代寬帶隙半導體材料的重要組成單元,業界普遍認為其具有廣闊的應用前景。

作為寬帶隙半導體,碳化硅具有寬的禁帶寬度(禁帶寬度大于2.2ev)、高熱導率、高擊穿電場、高抗輻射能力、高電子飽和速率等特點,這使得碳化硅特別適用于需要高溫、高頻、抗輻射及大功率器件的應用中。

 

 

上圖展示了碳化硅和硅及GaN在5大特性方面的對比,可以看出,碳化硅在各方面都比硅性能要好得多,即便是和同樣第三代寬帶隙半導體的GaN相比,碳化硅在熱導率特性上也要更優異。

和硅相比,碳化硅具有更高耐壓,從而可以使半導體層更薄、阻值更低,碳化硅也因其更低的功耗而成為電力電子領域最具前景的材料。

碳化硅為終端應用帶來的好處

碳化硅材料的天生優勢賦予了碳化硅基器件的強大性能,使用碳化硅替代硅,我們能獲得哪些好處呢?

首先碳化硅所具有的更低阻抗使最終器件的尺寸更小,效率更高;其次,碳化硅器件可以在更高頻率下運行,從而可以使用更小的被動元器件;另外,碳化硅器件可以在更高的溫度下運行,因此,就降低了系統冷卻要求,可以使用更簡單更小型的冷卻系統。另外,SiC-SBD與Si-FRD相比恢復特性也很優異,其恢復過程幾乎不受電流、溫度的影響。SiC-MOS與Si-IGBT和Si-MOS的開關特性相比,關斷時的損耗大幅減小,體二極管的恢復特性更好。

例如,對于一個5kW的DC/DC轉換器,如果使用SiC MOSFET替代Si IGBT,損耗可以降低63%,體積也大大減小,整個系統的重量從原來的7kg降為0.9kg。體積和重量之所以大幅下降,是因為里面使用的SiC芯片更小,功耗更低,下面的散熱板也就相應變小了,而且頻率提高后,周邊器件包括變壓器、線圈都可以做的很小,整體而言,體積和重量就降下來了。

 

 

在電動方程式大賽中,SiC帶來的優勢更是讓人印象深刻。羅姆在2016年第三賽季開始與文圖瑞Formula E車隊進行技術合作。文圖瑞賽車的逆變器在第二賽季的時候使用的還是傳統IGBT模塊,在第三賽季的時候用上了羅姆的IGBT加上SiC的肖特基,在第四賽季時采用了羅姆的全SiC模塊,所謂全SiC就是SiC的MOS加上SiC的肖特基。結果顯示,相比第二賽季,第三賽季的逆變器重量減輕了兩公斤,尺寸減少了19%,而第四賽季搭載全SiC之后,重量減輕了將近6公斤,尺寸減少了43%。最直接的好處是重量降下來之后,賽車的行駛距離更長了。

適于碳化硅器件的用武之地

雖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。作為最廣泛的半導體材料,硅仍然具有它的不可替代的應用領域。

 

目前來看,基于碳化硅材料的功率半導體適合應用于高頻高功率高工作電壓的應用場合。例如,光伏儲能和數據中心服務器領域,已經在廣泛使用碳化硅器件,隨著碳化硅MOS的工作電壓的提高,未來高速鐵路、風電等領域也是碳化硅的潛在應用市場,同時,時下的電動汽車是碳化硅的一個熱點市場。

 

 

綜合來看,SiC在一些特定應用中正在迅速取代原來的硅基產品,同時,由于其的新特性,SiC器件正在新興應用領域中迅速擴展。

碳化硅器件和硅器件的成本對比

 

一般來看,碳化硅器件比硅器件價格高,所以采用碳化硅后終端產品成本相對來說也要高一些。但如果綜合考慮整體成本,事實上并沒有增加。對于整車廠來說,使用SiC可以提高逆變器效率,從而能夠降低電池容量和成本,平衡一下,結果是提高了效率而整體價格并沒有提高。另外,電池的降價也會平衡使用碳化硅器件的成本。總體來看,羅姆認為,大約到2021年左右,汽車采用碳化硅后會帶來整體價格上的下降。

碳化硅廠商的應對之策

為了滿足市場應用需求,碳化硅廠商也在不斷提升生產能力,以滿足市場需求。

 

 

 

 

羅姆半導體是全球主要的碳化硅生產供應商,它還是少有的可以提供從碳化硅晶棒生產到晶圓制造,再到封裝組裝等完全垂直整合制造工藝的廠商。羅姆的碳化硅產品不僅提供SiC-SBD、SiC-MOS,還提供碳化硅功率模組,未來會在提供更大尺寸的晶圓,提升碳化硅器件的工作電流電壓、提供更多類型的封裝形式上加大投入力度。

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