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第三代半导体材料: SiC的兴起与未来

发布时间:2020-01-18 16:01编辑:技术中心浏览(199)

      SiC 是由硅和碳组成的化合物半导体材料,在热、化学、机械方面都非常稳定。C 原子和 Si 原子不同的结合方式使 SiC 拥有多种晶格结构,如4H、6H、3C 等等。4H-SiC 因为其较高的载流子迁移率,能够提供较高的电流密度,常被用来做功率器件。

      SiC 从上个世纪 70 年代开始研发,2001 年 SiC SBD 商用,2010 年 SiCMOSFET 商用,SiC IGBT 还在研发当中。随着 6 英寸 SiC 单晶衬底和外延晶片的缺陷降低和质量提高,使得 SiC 器件制备能够在目前现有 6英寸Si基功率器件生长线上进行,这将进一步降低SiC材料和器件成本,推进 SiC 器件和模块的普及。

      SiC 器件相对于 Si 器件的优势主要来自三个方面:降低电能转换过程中的能量损耗、更容易实现小型化、位置锁定模块异常2更耐高温高压。

      降低能量损耗。SiC 材料开关损耗极低,全 SiC 功率模块的开关损耗大大低于同等IGBT模块的开关损耗,而且开关频率越高,与IGBT模块之间的损耗差越大,这就意味着对于 IGBT 模块不擅长的高速开关工作,全 SiC 功率模块不仅可以大幅降低损耗还可以实现高速开关。

      低阻值使得更易实现小型化。SiC 材料具备更低的通态电阻,阻值相同的情况下可以缩小芯片的面积,SiC 功率模块的尺寸可达到仅为 Si 的 1/10 左右。

      更耐高温。SiC 的禁带宽度 3.23ev,相应的本征温度可高达 800 摄氏度,承受的温度相对 Si 更高;SiC 材料拥有 3.7W/cm/K 的热导率,而硅材料的热导率仅有 1.5W/cm/K,更高的热导率可以带来功率密度的显著提升,同时散热系统的设计更简单,或者直接采用自然冷却。

      SiC 生产过程分为 SiC 单晶生长、外延层生长及器件制造三大步骤,对应的是产业链衬底、外延、器件与模组三大环节。

      SiC 衬底:SiC 晶体通常用 Lely 法制造,位置锁定模块异常2国际主流产品正从 4 英寸向 6 英寸过渡,且已经开发出 8 英寸导电型衬底产品,国内衬底以4 英寸为主。由于现有的 6 英寸的硅晶圆产线可以升级改造用于生产 SiC 器件,所以 6 英寸 SiC 衬底的高市占率将维持较长时间。

      SiC 外延:通常用化学气相沉积(CVD)方法制造,根据不同的掺杂类型,分为 n 型、p 型外延片。国内瀚天天成、东莞天域已能提供 4 寸/6 寸 SiC 外延片。

      SiC 器件:国际上 600~1700V SiC SBD、MOSFET 已经实现产业化,主流产品耐压水平在 1200V 以下,封装形式以 TO 封装为主。价格方面,国际上的 SiC 产品价格是对应 Si 产品的 5~6 倍,正以每年 10%的速度下降,随着上游材料器件纷纷扩产上线年后市场供应加大,价格将进一步下降,预计价格达到对应 Si 产品2~3 倍时,由系统成本减少和性能提升带来的优势将推动 SiC 逐步占领 Si 器件的市场空间。

      全球 SiC 产业格局呈现美国、欧洲、日本三足鼎立态势。其中美国全球独大,全球 SiC 产量的 70%~80%来自美国公司,典型公司是 Cree、Ⅱ-Ⅵ;欧洲拥有完整的 SiC 衬底、外延、器件以及应用产业链,典型公司是英飞凌、位置锁定模块异常2意法半导体等;日本是设备和模块开发方面的领先者,典型公司是罗姆半导体、三菱电机、富士电机等。

      SiC 器件正在广泛地被应用在电力电子领域中,典型市场包括轨交、功率因数校正电源(PFC)、风电(wind)、光伏(PV)、新能源汽车(EV/HEV)、充电桩、不间断电源(UPS)等。根据 Yole 的预测, 2017~2023 年,SiC 功率器件市场将以每年 31%的复合增长率增长, 2023 年将超过 15亿美元;而 SiC 行业龙头 Cree 则更为乐观,其预计短期到 2022 年,SiC 在电动车用市场空间将快速成长到 24 亿美元,是 2017 年车用 SiC整体收入(700 万美元)的 342 倍。

      SiC 是制作高温、高频、大功率、高压器件的理想材料之一,技术也已经趋于成熟,令其成为实现新能源汽车最佳性能的理想选择。与传统解决方案相比,基于 SiC 的解决方案使系统效率更高、重量更轻及结构更加紧凑。目前 SiC 器件在 EV/HEV 上应用主要是功率控制单元、逆变器、DC-DC 转换器、车载充电器等方面。

      新能源车的功率控制单元(PCU)。PCU 是汽车电驱系统的中枢神经,管理电池中的电能与电机之间的流向、传递速度。传统 PCU 使用硅基材料半导体制成,强电流与高压电穿过硅制晶体管和二极管的时的电能损耗是混合动力车最主要的电能损耗来源。而使用 SiC 则大大降低了这一过程中能量损失,将传统 PCU 配备的 Si 二极管置换成 SiC 二极管,Si IGBT 置换成 SiC MOSFET,就可以降低 10%的总能量损耗,同时也可以大幅降低器件尺寸,使得车辆更为紧凑。丰田中央研发实验室(CRDL)和电装公司从 1980 年代就开始合作开发 SiC 半导体材料,2014 年双方正式发布了基于 SiC 半导体器件的新能源汽车 PCU,是这一领域的典型代表。

      车用逆变器。SiC 用在车用逆变器上,能够大幅度降低逆变器尺寸及重量,做到轻量化与节能。在相同功率等级下,全 SiC 模块的封装尺寸显著小于 Si模块,同时也可以使开关损耗降低75%(芯片温度为 150° C);

      在相同封装下,全 SiC 模块具备更高电流输出能力,支持逆变器达到更高功率。特斯拉 Model 3 采用了意法半导体(后来增加了英飞凌)生产的SiC逆变器,是第一家在主逆变器中集成全SiC功率模块的车企。2017年 12 月 2 日,ROHM 为 VENTURI 车队在电动汽车全球顶级赛事“FIAFormula E” 锦标赛第四赛季中提供了采用全 SiC 功率模块制造的逆变器,使得相对于第二赛季的逆变器尺寸下降 43%,重量轻了 6kg。

      车载充电器。SiC 功率器件正在加速其在车载充电器领域的应用趋势,在今年的功率器件展 PCIM Europe 2018(2018 年 6 月 5~7 日在德国纽伦堡举行)上,多家厂商推出了面向 HEV/EV 等电动汽车充电器的 SiC功率器件产品。据 Yole 统计,截至 2018 年有超过 20 家汽车厂商在自家车载充电器中采用 SiC SBD 或 SiC MOSFET 器件,且这一市场在2023 年之前保持 44%的增长。

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