純硅功率半導(dǎo)體有著令人羨慕的性能與市場成績，然而，對(duì)于高要求的功率開關(guān)和控制的應(yīng)用上，它似乎已經(jīng)到達(dá)了極限。在越來越多的功率電子學(xué)應(yīng)用中，碳化硅 (SiC) 功率器件日益普遍，尤其是在太陽能逆變器的設(shè)計(jì)中。設(shè)計(jì)工程師尤為青睞 SiC肖特基二極管，用于開發(fā)新的逆變器設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@比采用硅功率器件的逆變器更緊湊、更高效、更可靠。自從 SiC 二極管引入市場十多年來，無論是器件設(shè)計(jì)還是可靠性參數(shù)都經(jīng)歷了巨大的演進(jìn)變化。這些變化為商業(yè)市場帶來了更廣泛的 SiC產(chǎn)品組合。碳化硅(SiC)，作為一種新型化合物半導(dǎo)體材料，具有潛在的優(yōu)點(diǎn)：更小的體積、更高的效率、更低的開關(guān)損耗與漏電流、比純硅半導(dǎo)體更高的開關(guān)頻率以及在標(biāo)準(zhǔn)的125℃結(jié)溫以上工作的能力。小型化和高工作耐溫使得這些器件的使用更加自如，甚至可以將這些器件直接置于電機(jī)的外殼內(nèi)。 

　　圖1 SiC JFET

　　SiC功率半導(dǎo)體器件發(fā)展歷程

　　任何一種新技術(shù)都會(huì)經(jīng)歷由發(fā)展到成熟的過程，SiC 也不例外。標(biāo)準(zhǔn)功率開關(guān)，如絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，有很大的產(chǎn)品基礎(chǔ)和優(yōu)化的生產(chǎn)技術(shù)。而SiC 卻需要投入大量經(jīng)費(fèi)和研發(fā)資金來解決材料問題和完善半導(dǎo)體制造技術(shù)。然而這種功率開關(guān)器件，能夠在正向?qū)ù箅娏骱头聪蚪刂骨Х妷褐g快速執(zhí)行開關(guān)動(dòng)作，這樣的性能是值得我們一試的。SiC 最初的成功應(yīng)用和主要應(yīng)用為發(fā)光二極管，用于汽車頭燈和儀表盤其他照明場合。其他的市場包括開關(guān)電源和肖特基勢壘二極管。將來會(huì)應(yīng)用到包括混合動(dòng)力車輛、功率轉(zhuǎn)換器和交流/ 直流電機(jī)控制上。這些更高要求的應(yīng)用還沒有商業(yè)化，因?yàn)樗鼈冃枰哔|(zhì)量的材料和大規(guī)模的生產(chǎn)力來降低成本。在全世界范圍內(nèi)，大量的研究經(jīng)費(fèi)投入到了公司和實(shí)驗(yàn)室，以使SiC 技術(shù)更加可行。一些專家預(yù)言，SiC技術(shù)的商業(yè)化、工業(yè)化甚至軍工應(yīng)用將在2 到5 年或者更遠(yuǎn)的時(shí)間內(nèi)變成現(xiàn)實(shí)。電機(jī)控制生產(chǎn)商對(duì)于SiC 的發(fā)展特別有興趣，有些甚至與研究人員和半導(dǎo)體生產(chǎn)商進(jìn)行合作來促進(jìn)SiC 的發(fā)展。 

　　圖2 SiC 二極管發(fā)展歷程

　　SiC功率器件市場前景廣闊

　　SiC 是GaN 之外另外一種第三代半導(dǎo)體材料，由于性能不同，二者的應(yīng)用領(lǐng)域也不相同。GaN 主要用在微波器件上，而SiC 則主要作為大功率高頻功率器件。以SiC 為材料的二極管、IGBT、mosFET 等器件，未來有望在新能源汽車等領(lǐng)域取代Si功率器件。目前SiC 二極管價(jià)格是Si 二極管價(jià)格的5-7 倍，SiC 結(jié)晶場效應(yīng)管價(jià)格是Si 結(jié)晶場效應(yīng)管價(jià)格的5-7 倍，SiC MOSFET 價(jià)格是Si MOSFET 價(jià)格 的10-15 倍。因此若要SiC 產(chǎn)業(yè)迅速崛起，除了技術(shù)的不斷進(jìn)步之外，降低成本亦尤為關(guān)鍵。

　　圖3 SiC 和 GaN 取代現(xiàn)有硅功率器件的方向

　　2014 年全球SiC 功率半導(dǎo)體市場僅為約2 億美元，規(guī)模尚小，其應(yīng)用領(lǐng)域也主要在電力供應(yīng)、太陽能逆變器等領(lǐng)域。而未來，隨著新能源汽車和工業(yè)電機(jī)不斷采用SiC 材料，在8-10 年的范圍內(nèi)，SiC 半導(dǎo)體市場容量有望超過20 億美元。目前全球SiC 半導(dǎo)體市場處于絕對(duì)領(lǐng)先的企業(yè)是Cree，占據(jù)了85%以上的市場份額。

　　圖4 全球 SiC 功率半導(dǎo)體市場規(guī)模預(yù)測

　　SiC功率器件路途坎坷

　　并不是每一個(gè)人都同意碳化硅功率器件的應(yīng)用前景。ABB公司是高功率半導(dǎo)體的專家，但是在2002年，瑞典的聯(lián)合開發(fā)中心，終止了SiC 開發(fā)項(xiàng)目。公司半導(dǎo)體研發(fā)部對(duì)于此舉措的一個(gè)解釋是由basel 平面斷層導(dǎo)致的雙極導(dǎo)通衰減效應(yīng)，這反映了單純基于高電壓/高功率應(yīng)用的SiC器件的前景并不明朗。ABB Switzerland Semiconductors研發(fā)部的總工程師說：“碳化硅短期上適合低電壓單極型二極管，它也有潛力用于高頻場合中的低功率雙極晶體管和結(jié)型場效應(yīng)晶體管。SiC從長遠(yuǎn)上看，它在高壓應(yīng)用領(lǐng)域還是比其他種類的開關(guān)器件更值得關(guān)注的?！?/p>

　　對(duì)于SiC技術(shù)的快速開關(guān)能力，ABB Semiconductors 認(rèn)為，這種高頻工作能力僅在低雜散電感的環(huán)境中才適用，例如低功率/ 低壓系統(tǒng)中。在高功率系統(tǒng)中，雜散電感很大，要求半導(dǎo)體緩慢地執(zhí)行開關(guān)動(dòng)作。對(duì)于SiC器件，這就意味著讓它慢慢地開關(guān)，以適應(yīng)緩沖器的要求，這會(huì)重新引入損耗，而這些損耗原本就是試圖采用昂貴的SiC 器件來消除的。

　　另外，現(xiàn)在SiC底層材料的價(jià)格是普通Si材料的100 倍(對(duì)于3 英寸的SiC晶片)，將來或許會(huì)降至10倍。雖然SiC 晶片的質(zhì)量有所提升，器件生產(chǎn)商可以適用更小的模具，同時(shí)保證產(chǎn)量，但是更大尺寸的模具的產(chǎn)量就很低了。相對(duì)于晶片直徑6英寸和12英寸的單片集成電路二極管器件，4 英寸的SiC晶片，質(zhì)量仍舊很差。Si晶片的生產(chǎn)次品率很低，領(lǐng)先SiC 功率器件5 到10 年。對(duì)于高功率SiC 器件的時(shí)間線可能更長。其他的開發(fā)人員也意識(shí)到了SiC 的缺點(diǎn)，但是仍在繼續(xù)開發(fā)并試圖改進(jìn)。

　　功率半導(dǎo)體的SiC之路期待突破

　　電力電子器件的發(fā)展歷史大致可以分為三個(gè)大階段：硅晶閘管(可控硅)、IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)和剛顯露頭角的碳化硅(SiC)系列大功率半導(dǎo)體器件。晶閘管發(fā)展已有近六十年歷史，技術(shù)成熟也得到廣泛應(yīng)用，可以借鑒它的歷史來預(yù)測碳化硅功率器件。想當(dāng)初IGBT興起時(shí)，與晶閘管參數(shù)指標(biāo)相差極大，晶閘管已能做到2-3KV、2-3KA時(shí)，IGBT僅僅是電流過百、電壓過千。在短短的二十幾年間，IGBT從第一代迅速發(fā)展到第六代，電壓和電流已與晶閘管并駕齊驅(qū)，顯示出IGBT優(yōu)越性能。晶閘管能干的IGBT全能干、IGBT能干的晶閘管干不了，在相當(dāng)大的一片應(yīng)用領(lǐng)域里IGBT因其不可替代的優(yōu)越性能獨(dú)居鰲頭。但是晶閘管仍以其比較高的性價(jià)比守住了自己的大片陣地。碳化硅材料技術(shù)的進(jìn)展已使部分碳化硅功率器件用于實(shí)際成為可能。但還有許多關(guān)鍵的技術(shù)問題需要解決。晶閘管電流從小到大、電壓從低到高經(jīng)歷了數(shù)十年的風(fēng)風(fēng)雨雨，IGBT也有這樣的一個(gè)不凡的過程?？梢奡iC功率器件的發(fā)展也會(huì)有一個(gè)漫長的過程。