即將普及的碳化硅器件

吳康迪

隨綠色經(jīng)濟的興起，節(jié)能降耗已成潮流。在現(xiàn)代化生活中，人們已離不開電能。為解決“地球變暖”問題，電能消耗約占人類總耗能的七成，提高電力利用效率被提至重要地位。

據(jù)統(tǒng)計，60％至70％的電能是在低能耗系統(tǒng)中使用的，而其中絕大多數(shù)是消耗于電力變換和電力驅(qū)動。在提高電力利用效率中起關(guān)鍵作用的是功率器件，也稱電力電子器件。如何降低功率器件的能耗已成為全球性的重要課題。

在這種情況下，性能遠(yuǎn)優(yōu)于普遍使用的硅器件的碳化硅(SiC)器件受到人們青睞。SiC器件耐高溫(工作溫度和環(huán)境溫度)、抗輻射、具有較高的擊穿電壓和工作頻率，適于在惡劣條件下工作。特別是與傳統(tǒng)的硅器件相比，目前已實用的SiC器件可將功耗降低一半。由此將減少設(shè)備的發(fā)熱量，從而可大幅度降低電力變換器的體積和重量。其缺點是制備工藝難度大，器件成品率低，因而價格較高，影響了其普通應(yīng)用。

隨著技術(shù)進(jìn)步，近年來SiC襯底的直徑做的越來越大，器件質(zhì)量越來越高，生產(chǎn)SiC產(chǎn)品的廠商越來越多，從而使制約SiC發(fā)展的SiC襯底供應(yīng)情況大為改觀。特別是由于SiC二極管廠商的增加和SiC產(chǎn)量的增長，使SiC器件的價格不斷下降。與此同時，SiC二極管的容量不斷增大和SiC晶體管的實際應(yīng)用，帶動了SiC器件性能的不斷改善。SiC器件已從高價時代的航天、航空、雷達(dá)、核能開發(fā)等領(lǐng)域，擴展至石油和地?zé)徙@井勘探、變頻空調(diào)、平板電視、混合動力汽車和電動汽車以及太陽能光電變換等民用領(lǐng)域。汽車制造廠、空調(diào)公司和陽光發(fā)電部門以及眾多電源廠商，對SiC器件的應(yīng)用寄與厚望，人們已將其稱做節(jié)電降耗的關(guān)鍵器件。

SiC器件開發(fā)現(xiàn)況

2009年SiC MOSFET晶體管已經(jīng)可以量產(chǎn)，輸出為100A的SiC二極管大批量問世。

目前，SiC器件已被用于混合動力汽車和電動汽車設(shè)備中。2008年9月日本豐田公司開發(fā)出了SiC二極管逆變器，應(yīng)用于X-TRAIL FCV型汽車進(jìn)行道路行駛實驗。同月，本田汽車公司已用SiC器件制出了電源模塊。2009年日本開發(fā)的SiC變頻空調(diào)在市場上銷售。日本大阪的關(guān)西電力公司，開發(fā)出SiC逆變器，用于陽光發(fā)電。歐洲意法半導(dǎo)體公司用于電源的SiC二極管目前已大批量市售。德國英飛凌公司批量生產(chǎn)體積小的SiC二極管和SiC型MOS場效應(yīng)晶體管，2009年3月推出了第三代薄型SiC肖特基二極管。據(jù)日本三菱公司的試驗表明、電力變換器中使用的硅基耐壓600V快速恢復(fù)二極管和IGBT。如果用SiC sBD(肖特基勢壘二極管)和MOSFET管代替，功耗可降50％，甚至70％。SiC的工作環(huán)境可穩(wěn)定地提高至300C，而硅不超過200C。因此可減少散熱器或不用散熱器。此外，SiC器件可在高頻下工作，存100KHz下使用的SiC器件已問世。

2008年日本羅姆公司開發(fā)出了300A、耐壓660V的10毫米見方的SiC二極管樣品。傳統(tǒng)產(chǎn)品因成品率低，只有幾毫米見方的。一般情況下要擴大電流量就要增大芯片面積，然而芯片面積大則由于襯底質(zhì)量的限制，成品率會降低。

2009年2月美國Cree公司與Powerex公司開發(fā)出了雙開關(guān)1200伏、100安培的SiC功率模塊。其由耐高壓和大電流的SiC的MOS場效應(yīng)晶體管和SiC肖特基二極管組成。

日產(chǎn)汽車開發(fā)出了5毫米見方的SiC和硅的異構(gòu)結(jié)二極管，電流容量可超過100A。在羅姆公司協(xié)作下，日產(chǎn)汽車還開發(fā)出1～2毫米見方的SiC二極管、電流容量也能達(dá)到100A。

美國Cree公司和日本羅姆公司在業(yè)界領(lǐng)先生產(chǎn)SiC的MOS場效應(yīng)晶體管。SiC功率晶體管分3類：MOSFET、結(jié)型場效應(yīng)及IGBT那樣的雙極型器件。前兩者為單極型器件。SiC晶體管的結(jié)構(gòu)比SiC二極管復(fù)雜、因此成品率低、價格貴、影響其普及。然而對于耐壓1200伏的應(yīng)用，SiC晶體管對于硅基晶體管的成本優(yōu)勢已很明顯。

專家指出，對于耗電大戶的信息業(yè)的數(shù)據(jù)中心，目前采用SiC器件在一年內(nèi)可收回投資。

目前影響SiC晶體管量產(chǎn)的兩個因素是其動態(tài)電阻稍大和氧化層的可靠性。前者是由于SiC晶體管溝道移動性低，后者則可影響到晶體管的可靠性。

SiC襯底市場

SiC器件的基礎(chǔ)材料是SiC襯底。決定SiC器件能否普及的是器件價格。影響價格的是器件成品率。而器件成品率受到襯底質(zhì)量的制約。2009年世界最大的SiC襯底廠商美國Cree公司，已可批量生產(chǎn)高質(zhì)量6英寸SiC襯底。2008年起，Cree公司已可量產(chǎn)無中空貫穿缺陷(微管)的SiC襯底。從2008年8月開始，其微管基本為零的4英寸襯底能批量供應(yīng)。日本新日本制鐵2008年也生產(chǎn)出同樣基本無微管缺陷的4英寸襯底。

在SiC襯底市場方面、美國Cree公司壟斷了優(yōu)質(zhì)SiC襯底的供應(yīng)。2007年起，該公司在市場上供應(yīng)2至3英寸基本上無微管的襯底。2008年其位錯為每平方厘米5千個。2009年將提供6英寸基本上無微管的襯底。其次是德國SiCrystal公司和日本新日鐵公司。SiCrystal2008年可提供基本上無微管的3英寸SiC襯底，其位錯為每平方厘米2千個：新日鐵目前擁有每平方厘米1個微管的3英寸SiC襯底，其位錯為每平方厘米5千個至2萬個，2009年稍晚些可推出4英寸SiC襯底。第3梯隊產(chǎn)品質(zhì)量一般，有日本東纖一道康寧合資公司和中國天科合達(dá)藍(lán)光半導(dǎo)體公司。天科合達(dá)藍(lán)光公司在出售2英寸SiC襯底基礎(chǔ)上，2008年第3季度又推出了3英寸SiC襯底、其每平方厘米微管數(shù)量在50個以下。據(jù)Yolu發(fā)展公司的統(tǒng)計和預(yù)測，2005年至2009年SiC器件市場的年增長率為27％，2010年至20ls年的年增長率為60％至70％。

有關(guān)專家指出，我國天科合達(dá)藍(lán)光公司進(jìn)入SiC襯底市場影響巨大。其將迅速降低國際市場上SiC襯底的售價，從而推動sic器件的更快普及。我國有關(guān)部門應(yīng)進(jìn)行支持，促進(jìn)SiC器件在國內(nèi)的應(yīng)用、而不要使其只為國外廠商，特別是日本廠商，做廉價原料的供應(yīng)商。