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解密罗姆/意法半导体/英飞凌/科锐为何发力SiC功率元器件?(最全分析)

2019-07-29 14:42 来源:电源网原创 编辑:Janet

炙手可热的SiC功率元器件究竟是何方神圣?为何世界巨头公司罗姆、意法半导体、英飞凌、科锐纷纷发力于它?如今电子世界风云变幻,这或许是一场改变战局的机会?

第三代半导体材料以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表,因其禁带宽度(Band gap) Eg≥3.0电子伏特(eV),又被称为宽禁带半导体材料。除了碳化硅(SiC) 、氮化镓( GaN),氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)也是宽禁带半导体材料。而从目前第三代半导体材料和器件的研究来看,最成熟的是SiC半导体材料,其次是GaN,氧化锌、金刚石、氮化铝等材料的研究尚属起步阶段。本篇文章让我们一起了解功率元器件中的“大圣”——SiC功率元器件。

“大圣”的七十二地煞术

解密罗姆/意法半导体/英飞凌/科锐为何发力SiC功率元器件?(最全分析)

SiC材料与Si的特性对比

1、坐火——耐高温

由于半导体材料的禁带宽度决定器件的工作温度,禁带宽度越大,器件的工作温度越高。因此,普通Si只能达到150℃~200℃,SiC器件的工作温度可以高达600℃,并具有极好的抗辐射性能。一些要求在350~500℃下工作的高温集成电路,比如,航空设备(涡轮发动机、飞行器的电气自动化)、核能仪器、卫星、空间探测器、地热井等场景下,SiC器件都能得到广泛的应用。

SiC材料比Si材料热导率高近3倍。SiC材料制作的集成电路可以减小甚至不用散热系统,可以有效的减轻体积和重量,大大提高系统集成度。并能在高温和高辐射的环境中改善系统的稳定性和可靠性。这正符合航空二次电源对体积、重量、可靠性等方面的高标准要求。

2、担山——耐高压

SiC的击穿场强高,SiC的击穿电场约为2.8MV/cm,这个值大约是Si材料(0.3MV/cm)的10倍。这使得SiC功率半导体器件的最高工作电压比同类的Si器件高得多,如Si肖特基二极管最高阻断电压在一两百伏,而SiC肖特基二极管的阻断电压最高已经达到1700V。因此,SiC的高击穿场强特性使其更容易实现航空系统中对功率半导体器件的耐高压的要求,譬如可以用SiC制作击穿电压很高的PIN二极管和IGBT。

3、神行——更高频高效

SiC材料的最大电子饱和速度是Si材料的2倍,有更高的电流密度和更快的开关速度,适合于高频和大功率应用。

功率半导体器件的比导通电阻跟材料击穿电场的立方成反比,SiC具有比Si材料高一个数量级的击穿电场,因此SiC器件有更小的比导通电阻。在相同击穿电压下,SiC器件的比导通电阻理论值只有Si器件的百分之一。低的比导通电阻会减小损耗,带来系统效率的提高。在相同电压和芯片尺寸下,SiC器件可以降低90%的电阻,产生更少的散热。

4、壶天——更小尺寸

关于SiC器件的“低阻值”可以单纯解释为减少损耗,但阻值相同的话就可以缩小元件(芯片)的面积。应对大功率时,有时会使用将多个晶体管和二极管一体化的功率模块。例如,SiC功率模块的尺寸可达到仅为Si的1/10左右。关于“高速工作”,通过提高开关频率,变压器、线圈、电容器等周边元件的体积可以更小。实际上有能做到原有1/10左右的例子。关于“高温工作”是指容许在更高温度下的工作,可以简化散热器等冷却机构。

所以说,基于SiC功率器件阻断电压高、工作频率高、耐高温工作能力强,同时又具有开关损耗小和比导通电阻低等优势,采用其可以大大降低装置的功耗、缩小装置的体积。

解密罗姆/意法半导体/英飞凌/科锐为何发力SiC功率元器件?(最全分析)

SiC帮助器件实现小型化

碳化硅(SiC)是一种宽带隙材料,与硅相比,具有许多优点。不过,宽带隙材料比硅基材料的量产难度更高。接下来,我们要来谈谈有实力拥有SiC功率元器件产品线的知名企业。

技术的发展是历史的必然

当历史的车轮来到千禧年。碳化硅终于迎来了历史的突破。在2001年,德国英飞凌(Infineon)公司率先发布碳化硅肖特基功率二极管产品,同年美国Cree公司也实现了碳化硅肖特基功率二极管的产业化。由于碳化硅晶体管的技术难度大,产业化进度落后于二极管。2010年,日本Rohm公司首先量产SiC MOSFET产品,2011年美国Cree公司开始销售SiC MOSFET产品。而由于SiC IGBT和GTO等器件的生产技术难度更大,仍处于研发阶段,距离产业化有较大的差距。SiC JBS二极管和MOSFET晶体管由于其性能优越,成为目前应用最广泛、产业化成熟度最高的碳化硅功率器件。

目前,国际上主要的碳化硅功率器件产业化公司有美国Wolfspeed、德国Infineon、日本Rohm、欧洲的意法半导体(STMicroelectronics)、日本三菱(Mitsubishi),这几家大公司约占国际市场的90 %,另外,美国通用电气(GE)、日本丰田(Toyota)、日本富士(Fuji)、日本东芝(Toshiba)、MicroSemi、USCi、GeneSiC等公司也开发了碳化硅功率器件产品。

在SiC二极管产品方面,美国Wolfspeed(包括Cree)、德国Infineon公司已经推出了五代 SiC JBS产品;其中Wolfspeed的第四代及以前的产品为平面型,第五代为沟槽型,并且在第五代650 V器件中采用了晶圆减薄工艺将碳化硅晶圆由370μm减薄至180μm,进一步提高了器件的性能。罗姆公司开发了三代SiC二极管,最新产品也采用了沟槽型结构。Infineon公司的前四代SiC二极管以600 V、650 V产品为主,从第五代开始推出1200 V产品,即将推出第六代低开启电压的SiC JBS产品。

在SiC MOSFET器件方面,Wolfspeed公司推出600 V、1200 V和1700 V共三个电压等级、几十款平面栅MOSFET器件产品,电流从1 A~50 A不等;2017年3月,美国Wolfspeed公司发布了900 V/150 A的SiC MOSFET芯片,是目前单芯片电流容量最大的SiC MOSFET产品;罗姆公司的SiC MOSFET产品有平面栅和沟槽栅两类,电压等级有650 V和1200 V;意法半导体开发了650 V和1200 V两个电压等级的SiC MOSFET产品,Infineon公司也推出了沟槽栅的1200 V SiC MOSFET产品。另外,GeneSiC公司开发了1200 V和1700 V的 SiC BJT产品,Infineon和USCi公司开发了1200 V的SiC JFET产品。在研发领域,国际上已经开发了10 kV以上的JBS、MOSFET、JFET、GTO等器件样品,以及20 kV以上的PiN、GTO和IGBT器件样品,由于受到碳化硅材料缺陷水平、器件设计技术、芯片制造工艺、器件封装驱动技术以及市场需求的制约,以上高压器件短期内无法实现产业化。

盘点那些在SiC功率元器件领域的佼佼者

罗姆(ROHM)

与其他SiC厂商相比,罗姆的最大优势在于是一条龙的生产体制。罗姆于2000-2002年开始SiC的基础实验,在2009年时ROHM收购了生产SiC晶圆制造商德国SiCrystal公司,有了它提供材料,ROHM会在德国完成晶圆,然后在日本的福冈、京都做芯片的封装和SiC模组,据介绍,ROHM是全球屈指可数的进行碳化硅功率器件一条龙生产的厂家。

罗姆从2010年在日本率先开始了SiC SBD量产,全球第一SiC MOS量产,2012年全SiC模块全球第一量产,到2015年全球首发沟槽型SiC MOS量产。

沟槽型MOSFET最大的不同在于它的门极部分为沟槽结构,可提高cell密度,从而打造导通损耗更低、开关性能更好的元器件。其导通电阻与平面型SiC-MOSFET相比降低约50%,同时输入电容降低约35%,有效地提高了开关性能。基于沟槽结构SiC-MOSFET的优势,罗姆又开发出采用该器件的“全SiC”功率模块。模块内部电路为二合一(2in1)结构,采用SiC-MOSFET及SiC-SBD,额定电压为1200V,额定电流达到180A。与同等水平额定电流的Si-IGBT模块产品相比,有很大优势。即使与使用平面型SiC-MOSFET的“全SiC”模块相比,其开关损耗也降低约42%。这将大幅降低太阳能发电用功率调节器和工业设备用电源、工业用逆变器等所有相关设备的功率损耗,对于太阳能发电用功率调节器和工业设备用电源等所有设备的节能化、小型化、轻量化起着关键性的作用。

解密罗姆/意法半导体/英飞凌/科锐为何发力SiC功率元器件?(最全分析)

点击查看罗姆SiC功率器件产品及细节文档

英飞凌(Infineon)

全球唯一一家提供硅(Si)、碳化硅(SiC)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)和氮化镓(GaN)器件的公司

全球第一家基于SiC二极管的公司,2001年已在市场上推出SiC二极管,随后2006年全球首个包含SiC元件的商用电源模块。同时,第五代此类零件可作为分立器件提供。


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