電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李誠）碳化硅、氮化鎵這兩種新型半導(dǎo)體材料，憑借其耐高溫、耐高壓、高頻的特性在功率器件領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。尤其是碳化硅功率器件與傳統(tǒng)硅基功率器件相比，碳化硅材料突破了創(chuàng)傳統(tǒng)硅基材料的物理極限，碳化硅的耐溫值高出硅基材料的一倍，同時，碳化硅的介電擊穿場強也高出硅基材料數(shù)倍。碳化硅材料已成為高溫、高壓、大功率設(shè)備的最佳解決方案。

“碳中和”的大趨勢提高了人們對碳化硅、氮化鎵等高效穩(wěn)定的第三代功率半導(dǎo)體材料的關(guān)注度。碳化硅功率器件也在工業(yè)、汽車、軌道交通、光伏發(fā)電等領(lǐng)域的高速發(fā)展下，得到了充分的應(yīng)用，碳化硅市場需求十分景氣，市場滲透率也在逐年攀升。

據(jù)CASA 統(tǒng)計，2020年國內(nèi)第三代半導(dǎo)體，電力電子器件和射頻電子器件總產(chǎn)值達100億元以上。其中，碳化硅、氮化鎵器件產(chǎn)值規(guī)模達 44.7億元，同比增長54%。同時，預(yù)計至2025年SiC功率器件在全球汽車市場規(guī)模將會有38.0%的增長，屆時將會帶來100億元市場總值，SiC發(fā)展空間巨大。

如今新能源汽車、光伏發(fā)電的產(chǎn)能釋放，市場對碳化硅功率器件的需求不斷擴大，聚焦全球碳化硅市場，由于國內(nèi)廠商在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域起步較晚的原因，國際市場目前還是以美、德、日等國外企業(yè)占據(jù)主導(dǎo)地位。

出貨量占比45%的美國企業(yè)Wolfspeed

Wolfspeed作為第三代功率半導(dǎo)體的龍頭企業(yè)，2019賣掉主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的照明業(yè)務(wù)，將產(chǎn)業(yè)重心轉(zhuǎn)移至第三代功率半導(dǎo)領(lǐng)域。據(jù)半導(dǎo)體行業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，Wolfspeed 2020年上半年SiC晶片出貨量占據(jù)全球總量的45%。Wolfspeed的碳化硅產(chǎn)品涵蓋了SiC肖特基二極管、SiC MOSFET元件以及模塊，在工業(yè)和汽車領(lǐng)域均有應(yīng)用。

在碳化硅肖特基二極管方面，Wolfspeed目前以推出了第六代工業(yè)級產(chǎn)品，最高耐壓值達650V，額定電流在4A、6A、8A、10A均有覆蓋，在PFC升壓轉(zhuǎn)換器中，能夠很好的提高系統(tǒng)級效率，不會存在反向恢復(fù)電流和熱量失控的問題。同時，車規(guī)級的SiC肖特基二極管也發(fā)展到了第三代，最高耐壓值達650V，額定電流有8A、20A、30A三種選擇，在實際應(yīng)用中進一步的提高系統(tǒng)的功率密度、縮小體積，無需額外的冷卻系統(tǒng)，也能實現(xiàn)很好的溫度控制，多應(yīng)用于汽車的充電系統(tǒng)和電池管理系統(tǒng)中。

在碳化硅MOSFET方面，Wolfspeed工業(yè)級產(chǎn)品和車規(guī)級產(chǎn)品均發(fā)展到第三代，其中第二代工業(yè)級產(chǎn)品的耐壓值達到了1700V，是工業(yè)級產(chǎn)品中最高的，額定電流從5A至115A均有覆蓋。同時，車規(guī)級產(chǎn)品的耐壓值達到了1200V，額定電流有22A和32A兩種選擇。總的來說，Wolfspeed的碳化硅MOSFET，在耐壓能力和待機功耗方面均有不錯的表現(xiàn)，并且提高了系統(tǒng)的開關(guān)頻率和功率密度。

碳化硅功率器件在電動車領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢頗為突出，發(fā)展前景也備受看好。為更深入的挖掘碳化硅功率器件在汽車領(lǐng)域應(yīng)用的潛在性能，Wolfspeed與大眾汽車集團達成了合作關(guān)系，為大眾提供更優(yōu)質(zhì)的碳化硅解決方案，共同展望碳化硅的未來發(fā)展，推動碳化硅在電動車領(lǐng)域的應(yīng)用，打造續(xù)航里程更長、生產(chǎn)成本更低、補能速度更快的電動汽車。

2019年，Wolfspeed投資10億元，用于擴充碳化硅功率器件和外延片的產(chǎn)能，其中一部分用于打造位于紐約州馬西鎮(zhèn)“全球最大”的碳化硅晶圓廠，預(yù)計2022年建成投產(chǎn)。該晶圓廠主要用于車規(guī)級200mm碳化硅晶圓的生產(chǎn)。

另一部分用于美國達勒姆市200mm的碳化硅晶圓廠的建設(shè)，該產(chǎn)線將采用全自動化的方式生產(chǎn)，按計劃該產(chǎn)線將會于2024年實現(xiàn)投產(chǎn)，碳化硅產(chǎn)品的產(chǎn)能將會有大幅提升。Wolfspeed官方表示，屆時SiC和GaN器件產(chǎn)品業(yè)務(wù)占比將超過材料業(yè)務(wù)占比，營收將達15億美元，凈收入達3.75億美元。

資深碳化硅功率器件的德國企業(yè)Infineon

英飛凌（Infineon）在碳化硅領(lǐng)域深耕多年，2001年就已經(jīng)向市場推出首款碳化硅二極管，有著較為深厚的技術(shù)積累。目前，英飛凌的碳化硅功率器件的主打產(chǎn)品有：MOSFET、肖特基二極管，以及MOSFET與二極管的組合模塊。

英飛凌的是首個碳化硅分立電源的供應(yīng)商，其碳化硅二極管器件突破了傳統(tǒng)硅基材料的物理限制，將原本耐壓值最高只有150V的二極管提升至1200V。英飛凌的碳化硅二極管滿足了車規(guī)級和工業(yè)級要求，其中工業(yè)級的碳化硅二極管產(chǎn)品有600V、650V、1200V三個系列，車規(guī)級碳化硅產(chǎn)品只有650V一個系列。

英飛凌的二極管目前已經(jīng)發(fā)展至第五代，與其他廠商的二極管結(jié)構(gòu)相比，存在著些許差異，英飛凌為了提高二極管的性能，將肖特基二極管與PN結(jié)型二極管的優(yōu)點合二為一，在肖特基二極管N型摻雜區(qū)上面多了P型摻雜的窗口。技術(shù)的升級，英飛凌的第五代二極管與前一代產(chǎn)品相比，導(dǎo)通損耗降低了30%，抗浪涌電流能力高出額定電流約13倍，大幅提升了系統(tǒng)的安全性。

在碳化硅MOSFET方面，英飛凌的產(chǎn)品同樣覆蓋了汽車和工業(yè)應(yīng)用兩個領(lǐng)域。其中，工業(yè)級單管碳化硅MOSFET耐壓值最高為1700V，650V和1200V的產(chǎn)品也有開發(fā)，在車規(guī)級產(chǎn)品中只有1200V一個系列。

英飛凌碳化硅MOSFET采用了先進的非對稱溝槽半導(dǎo)體工藝，經(jīng)過優(yōu)化，在25℃的工作環(huán)境下，關(guān)斷損耗僅為IGBT 的20%，在175℃的工作環(huán)境下關(guān)斷損耗僅有IGBT 的10%，開關(guān)損耗極低。當(dāng)負(fù)載電流為15A時，正向壓降只有IGBT 的一半，導(dǎo)通損耗較小。在反復(fù)續(xù)流狀態(tài)下，英飛凌的碳化硅MOSFET還可當(dāng)作快速恢復(fù)二極管使用，且性能高于一般二極管。

今年5月，英飛凌發(fā)布了新款車規(guī)級電源模塊HybridPACK Drive CoolSiC，該模塊耐壓等級為1200V，有額定電流為400A/200A兩個版本。該功率模塊采用了CoolSiC溝槽MOSFET技術(shù)，在電動汽車的牽引逆變器中使用，可實現(xiàn)高達250kW的功率，具有高功率密度和高性能的特性，為汽車提供更長的續(xù)航和更高的效率，降低電動汽車的電池成本。據(jù)現(xiàn)代汽車電氣化團隊負(fù)責(zé)人Jung表示：使用英飛凌的CoolSiC電源模塊，能將電動車?yán)m(xù)航里程提升5%以上。

在合作方面，據(jù)外媒報道，今年5月英飛凌與日本晶圓制造商昭和電工達成碳化硅材料的供應(yīng)合作，保障了英飛凌在碳化硅領(lǐng)域發(fā)展的基材需求。此前，英飛凌與Wolfspeed也簽訂了碳化硅長期晶圓供貨協(xié)議，鞏固英飛凌在汽車與工業(yè)領(lǐng)域功率器件的優(yōu)勢地位。

最早推出碳化硅功率模塊的日本企業(yè)ROHM

ROHM具備碳化硅材料生產(chǎn)、晶圓制造、芯片封測的能力，其碳化硅產(chǎn)品在業(yè)界內(nèi)頗具影響力。ROHM的碳化硅產(chǎn)品覆蓋了二極管、MOSFET以及功率模塊，并且ROHM是全球首家推出碳化硅功率模塊的廠商。

今年7月，ROHM發(fā)布了RGWxx65C系列IGBT產(chǎn)品，RGWxx65C系列是在IGBT的反饋單元部分內(nèi)置了一個SiC肖特基勢壘二極管，由于碳化硅二極管沒有反向恢復(fù)電流，所以RGWxx65C系列產(chǎn)品的導(dǎo)通開關(guān)損耗相對較低，并且通過了車規(guī)級AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證，在工業(yè)與汽車領(lǐng)域均可使用。

據(jù)ROHM表示，該系列產(chǎn)品在電動汽車牽引逆變器的應(yīng)用中，開關(guān)損耗與傳統(tǒng)的IGBT相比，降低了67%，與SJ-MOSFET相比，降低了24%。在效率轉(zhuǎn)換方面，RGWxx65C系列產(chǎn)品能夠保證97%以上的高效轉(zhuǎn)換，在工作頻率為100kHz時，轉(zhuǎn)換效率還會高出傳統(tǒng)IGBT的3%。在產(chǎn)能方面，目前還屬于樣品階段，按計劃將在今年12月以每月2萬件的規(guī)模進入量產(chǎn)階段。

在碳化硅二極管方面，ROHM的二極管已經(jīng)發(fā)展至第三代產(chǎn)品，其中第二代產(chǎn)品的耐壓值最高已經(jīng)達到了1200V，額定電流在5A至40A之間。第三代產(chǎn)品的二極管主要集中在650V，2A至20A之間，采用了JBS構(gòu)造的設(shè)計工藝，在同等工作條件下，第三代抗浪涌電流能力與第二代產(chǎn)品相比提高了一倍，導(dǎo)通損耗也有所降低。同時，第三代產(chǎn)品的漏電電流僅為前一代產(chǎn)品的1/20。

在碳化硅MOSFET方面，ROHM推出了第三代溝槽柵型碳化硅MOSFET，主要包括了650V和1200V這兩個電壓等級的產(chǎn)品。第三代溝槽柵型碳化硅MOSFET的導(dǎo)通電阻比第二代平面型碳化硅MOSFET減少了一半，從而降低了系統(tǒng)功耗。其中，SCT3系列對封裝工藝進行了改進，采用了4引腳封裝工藝，據(jù)ROHM官方表示，4引腳的碳化硅MOSFET比三引腳封裝的開關(guān)損耗降低了35%，從而提高系統(tǒng)效率。

在產(chǎn)能擴充方面，ROHM為滿足市場對碳化硅功率器件日益增長的市場需求，在2019年就開始擴建Apollo工廠，于2020年底工程竣工，預(yù)計2022年正式投產(chǎn)，新廠房的面積提升將近一倍，據(jù)ROHM技術(shù)中心所長水原德建先生表示，到2025年，ROHM的碳化硅產(chǎn)能將會是2017年的16倍。

結(jié)語

碳化硅功率器件彌補了硅基功率器件的缺點，提高了產(chǎn)品的開關(guān)頻率和功率密度，耐高溫能力也有不小的提升，極大地拓展了碳化硅功率器件的應(yīng)用場景。

目前，碳化硅產(chǎn)品與同類型的硅基產(chǎn)品相比，并沒有任何價格優(yōu)勢，甚至價格高出10倍，主要是器件制造工藝的不成熟和晶圓生產(chǎn)的良率不高，進而提升了碳化硅產(chǎn)品的價格。隨著Wolfspeed、ROHM、昭和電工等新產(chǎn)線的投產(chǎn)，晶圓良率的提高，屆時碳化硅產(chǎn)品的價格也會有所下降，市場滲透率也會迎來爆發(fā)式的增長。

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編輯：jq