打破技术垄断，比亚迪自主研发碳化硅功率MOS器件

2017-10-19 17:42:40 来源: 比亚迪

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碳化硅材料以其优异的性能被行业列为第三代半导体材料，其击穿场强是硅的10倍，热导率是硅的2.5倍。用碳化硅材料制作的MOS器件可在大于200度的高温环境下工作，具有极低的开关损耗和高频工作能力，减小模块的体积和重量，显著提高系统的效率，有利于节能降耗，广泛应用于风光发电、光伏逆变、UPS储能、新能源汽车、航天军工等高科技领域。各个国家和企业针对碳化硅MOS器件都开展大量的研究工作，但目前全球能批量生产的只有cree、rohm、ST、GE等三五家企业。

SiC晶圆

比亚迪微电子团队通过不断的工艺及设计试验，目前在国内已自主研发出适合于新能源汽车使用的两款碳化硅功率MOS器件BF930N120SNU（1200V/30A）和BF960N120SNU（1200V/60A），N沟道增强型功率MOSFET，并同步研制开发1200V/200A和1200V/400A全SiC MOS模块。

SiC模块

什么是碳化硅

碳化硅（SIC）是半导体界公认的“一种未来的材料”，是新世纪有广阔发展潜力的新型半导体材料。预计在今后5～10年将会快速发展和有显著成果出现。促使碳化硅发展的主要因素是硅（SI）材料的负载量已到达极限，以硅作为基片的半导体器件性能和能力极限已无可突破的空间。

硅（SI）和碳化硅（SIC）以及其它半导体材料在电气特性和物理特性上有很大不同（表一），但有众所周知的相似元素和结构组成。

几种半导体材料性能比较

事实上，碳化硅不是一种新发现的材料。有些人甚至争论说它是所有半导体的曾祖父。关于碳化硅的第一份报告是来自于1842年瑞典人之手。碳化硅不象其它矿物质那样有其自身矿藏，它也不会在自然界中自然出现，而需要用精炼炉的冶炼技术控制工艺来实现。早期碳化硅仅是用於研磨和切割用的材料。上一个世纪碳化硅的发展极其缓慢而艰难。表二显示了SIC的发展主要经历。

表（二） SIC材料发展史

预计十年内（21世纪头十年）= 碳化硅器件会有突破性发展。无论是SIC单晶材料还是SIC器件制造工艺都有重大发展，碳化硅材料开始走向成熟。与硅材料一起共同作为当前和今后主要半导体材料，在有些器件领域起到不可替代的作用并占有恰当市场

碳化硅是原子的复合体而不是单晶体，主要差异和性能在于硅和碳原子的相对数目，以及原子排列的不同结构。碳化硅的物理特性取决于晶体的碳硅原子排列结构，最普通和典型的是6方晶系的结构，称之为6H、4H和3C碳化硅。

SIC属于“宽禁带”半导体，物理特性与硅有很大不同。单晶碳化硅（SIC）比单晶硅（SI）具有很多优越的物理特性，例如（1）大约10倍的电场强度；（2）大约高3倍的热导率；（3）大约宽3倍禁带宽度；（4）大约高一倍的饱和漂移速度。

SI材料的MOSFET是一种驱动简单，开关频率和速度很快,功率损耗或称开关损耗很小的功率半导体器件,但至命缺点是电压不高 , 而且随电压升高 , 功耗迅速增加.IGBT是MOSFET的改进功率器件,同样具有MOSEFT器件驱动电路简单开关速度快的特点. 在20世纪80年代IGBT取代双极型结型晶体管, 耐压水平从几百伏很快上升到2KV以上的新型功率半导体器件.但高於2KV的功率装置系统,GTO或IGCT仍然牢牢的占领和控制着市场, 令IGBT望尘莫及. GTO、IGCT作为一种功率开关器件，具有高电压,大电流,能产生很高功率的一种器件, 但需要用比MOSFET和IGBT更复杂和功率较大的控制电路来驱动.

电力电子线路设计工程师希望有一种器件象MOSFET一样简单易用,还能象IGCT 和 GTO 一样产生很大功率的器件. SIC的MOSFET 器件基本能实现上述要求。在太阳能、电动汽车、高速铁路等市场，这种器件的优势非常突出，庞大的市场潜力也让各大厂商在此争夺。

碳化硅的市场现状

根据国际知名分析机构Yole Développement 的分析师数据显示，碳化硅 (SiC)电力电子市场是具体而实在，且发展前景良好。这种趋势非但不会改变，碳化硅行业还会进一步向前发展。用户正在尝试碳化硅技术，以应用于具体且具有发展前景的项目。如今，碳化硅技术

的附加值已被电力电子领域所普遍了解与认可。Yole 分析师称，2016 至 2022 年间，有望实现 6% 的复合年增长率 (CAGR)。而且，新应用的出现也将推动碳化硅电力电子器件市场的发展。

也就是说，2022 年，碳化硅器件市场总值将超过 10 亿美元。”Yole Hong Lin 博士说道， “事实上，2020 年之后，市场发展的脚步将进一步加快，2020 至 2022 年间，有望实现 40% 的复合年增长率 (CAGR)。”

目前谁是主要的SiC供应商呢？根据Yole地说法，目前行业的龙头，Infineon和Cree两家公司研发出新的RF功率系统Wolfspeed，已经占据了整个SiC市场份额68%。

不仅如此，Cree公司最近还收获了功率组件和电子应用上先驱新产品—APEI的订单，这款产品有可能对SiC市场造成很大的冲击。目前这两家公司都把目光放在如何实现将SiC器件集成到功率组件和转换器上的工业化应用问题，同时也能为这些SiC器件系统提供经特别设计的封装。

Yole Développement公司的Gueguen强调说：“Cree公司说过，如果对这种最先进的功率器件还是采用已具三十年历史的老旧封装技术，将无法发挥出SiC器件的全部潜能”，“但是现在，公司可以提供一个完整的系统解决方案，而不仅仅只是功率器件的本身”。

他补充说：“Infineon公司已经具备了开发用于SiC器件功率组件所需的技术基础，而Cree公司正在发展它的SiC功率业务的供应链，如同它们之前在发展LED业务时所做的那样”。

尽管这两家大公司都打算加速其在SiC应用上的进程，但是它们并不企图在未来继续统治这个领域的市场。如同Gueguen所预测的那样：“Infineon和Cree公司从一开始进入这个市场时就占据了大量的市场份额，但是Rohm、STMicroelctronics等公司也正在对这个市场虎视眈眈”。

回顾供应链发展开始的16年前，首批SiC功率器件开始商业化，当时只有德国英飞凌和美国科瑞两家企业能够提供SiC产品，后者的功率和设备器件业务已经独立为Wolfspeed。在随后的10年，器件的市场范围并没有真正地扩展，SiC器件在努力在向产业界证明自己。

2009-2010年，情况发生突变，更多器件供应商开始供应SiC二极管。如到2017年7月份，二极管供应商的数量达到23家。SiC晶体管供应商的总数也同样在增加。特别值得一提的是，从2016年到2017年，SiC MOSFET供应商的数量已经翻倍。该数量在接下来的几年内还将继续增加。

供应链现状随着器件市场的发展，SiC产业供应链已经建立并将继续不断发展，从晶圆到外延层、芯片制造、模块封装到采用不同商业模式的系统终端用户，例如：

·Wolfspeed和Rohm半导体是从衬底到模块的垂直集成；

·三菱电子和富士电子是从芯片到终端用户的垂直集成

·其他很多供应商占据供应链的一部分。

在晶圆级，道康宁（Dow Corning）在被Dow收购后已经重组。Dow和Dupont的合并对于未来道康宁的SiC晶圆业务划上了一个问号，道康宁是SiC主要供应商之一。同样值得一提的是，北电（Norstel）被中国资本收购：在公司在中国的福建建了新厂来拓展产能。

尽管雷神（Raytheon）公司在2017年停止了SiC代工厂业务，但其代工厂模式在运营层面已清晰，这有助于无代工/轻代工SiC企业来推出其产品和使得SiC技术对于产业更容易获得。该模式现在由X-Fab来驱动，并获得“电子美国”的支持。Yole预期其他代工厂也将进入该市场。

SiC模块正在到来在2017年，SiC功率市场仍然由分立器件主导，包括分立二极管和晶体管。但这种情况将改变。混合模块已进入一些应用，如光伏。全SiC模块正在到来。

SiC晶体管尤其对于高压和高功率应用有优势。正在驱动SiC的市场包括轨道、电机驱动、电动汽车和转换器，都倾向于模块。悠乐因此预期SiC模块会获得快速发展，并获取市场份额。事实上，SiC功率半导体供应商正在采取步骤。在2016-2017年SiC模块的发展包括以下内容：

模块供应商并不仅仅推出产品，还尽可能加快市场的接纳。例如，新模块的推出通常结合驱动器电子的发布，支持设计人员克服与驱动器相关的困难。更多的集成性“即插即用”解决方案（包括功率堆栈、功率组装或功率模块）也一并在市场上出现。这对于那些并没有内部设计资源或能力但希望其产品中使用SiC模块的终端用户而言，是巨大帮助。

所以说比亚迪的这次突破，对于国内的碳化硅产业来说，是一个很大的进步。

责任编辑：星野

碳化硅比亚迪