第三代电力电子半导体：SiC MOSFET学习笔记（一）SiC兴起
（一）初识SiC
科技前沿—第三代半导体技术—碳化硅SiC：技术和市场
数据来源：知乎、英飞凌官网、ST官网
一、硅的瓶颈与宽禁带半导体的兴起
上世纪五十年代以来，以硅（Si）材料为代表的第一代半导体材料取代了笨重的电子管引发了集成电路（IC）为核心的微电子领域迅速发展。然而，由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低，Si在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制，在高频下工作性能较差，不适用于高压应用场景，光学性能也得不到突破。
所以，以砷化镓（GaAs）为代表的第二代半导体材料开始崭露头角，使半导体材料的应用进入光电子领域，尤其是在红外激光器和高亮度的红光二极管等方面。第三代半导体材料的兴起，则是以氮化镓（GaN）材料p型掺杂的突破为起点，以高亮度蓝光发光二极管（LED）和蓝光激光器（LD）的研制成功为标志，包括GaN、碳化硅（SiC）和氧化锌（ZnO）等宽禁带材料。
第三代半导体又称宽禁带半导体（即禁带宽度在2.2eV以上），具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等特点，逐步受到重视。SiC与GaN相比较，前者相对GaN发展更早一些，技术成熟度也更高一些；两者有一个很大的区别是热导率，这使得在高功率应用中，SiC占据统治地位；同时由于GaN具有更高的电子迁移率，因而能够比SiC或Si具有更高的开关速度，在高频率应用领域，GaN具备优势。
虽然学术界和产业界早早认识到SiC和GaN相对于传统Si材料的优点，但是由于制造设备、制造工艺与成本的劣势，多年来只是在小范围内得到应用，无法挑战Si基器件的统治地位，但是随着5G、汽车等新市场出现，SiC/GaN不可替代的优势使得相关产品的研发与应用加速；随着制备技术的进步，SiC与GaN器件与模块在成本上已经可以纳入备选方案内，需求拉动叠加成本降低， SiC/GaN的时代即将迎来。
二、SiC的特性与优势
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SiC MOSFET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、更耐高温高压。
1、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。
2、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。
3、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。
三、SiC产业链梳理
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，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56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，未来23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、意法半导体等；日本是设备和模块开发方面的绝对领先者，典型公司是罗姆半导体、三菱电机、富士电机等。
四、SiC应用市场：汽车为最大驱动力
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。
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（PCU）、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“FIA Formula 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。
