純硅功率半導體有著令人羨慕的性能與市場成績，然而,，對于高要求的功率開關和控制的應用上,，它似乎已經到達了極限。在越來越多的功率電子學應用中,，碳化硅 (SiC) 功率器件日益普遍,，尤其是在太陽能逆變器的設計中。設計工程師尤為青睞 SiC肖特基二極管,，用于開發(fā)新的逆變器設計,，因為這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，無論是器件設計還是可靠性參數都經歷了巨大的演進變化,。這些變化為商業(yè)市場帶來了更廣泛的 SiC產品組合,。碳化硅(SiC)，作為一種新型化合物半導體材料,，具有潛在的優(yōu)點：更小的體積,、更高的效率、更低的開關損耗與漏電流,、比純硅半導體更高的開關頻率以及在標準的125℃結溫以上工作的能力,。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的外殼內,。
圖1 SiC JFET
SiC功率半導體器件發(fā)展歷程
任何一種新技術都會經歷由發(fā)展到成熟的過程,，SiC 也不例外,。標準功率開關，如絕緣柵雙極型晶體管(IGBT),，有很大的產品基礎和優(yōu)化的生產技術,。而SiC 卻需要投入大量經費和研發(fā)資金來解決材料問題和完善半導體制造技術。然而這種功率開關器件,，能夠在正向導通大電流和反向截止千伏電壓之間快速執(zhí)行開關動作,，這樣的性能是值得我們一試的。SiC 最初的成功應用和主要應用為發(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電源和肖特基勢壘二極管。將來會應用到包括混合動力車輛,、功率轉換器和交流/ 直流電機控制上,。這些更高要求的應用還沒有商業(yè)化，因為它們需要高質量的材料和大規(guī)模的生產力來降低成本,。在全世界范圍內,，大量的研究經費投入到了公司和實驗室，以使SiC 技術更加可行,。一些專家預言,，SiC技術的商業(yè)化、工業(yè)化甚至軍工應用將在2 到5 年或者更遠的時間內變成現實,。電機控制生產商對于SiC 的發(fā)展特別有興趣,，有些甚至與研究人員和半導體生產商進行合作來促進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體材料,，由于性能不同,，二者的應用領域也不相同。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域取代Si功率器件。目前SiC 二極管價格是Si 二極管價格的5-7 倍,，SiC 結晶場效應管價格是Si 結晶場效應管價格的5-7 倍，SiC MOSFET 價格是Si MOSFET 價格 的10-15 倍,。因此若要SiC 產業(yè)迅速崛起,，除了技術的不斷進步之外，降低成本亦尤為關鍵,。
圖3 SiC 和 GaN 取代現有硅功率器件的方向
2014 年全球SiC 功率半導體市場僅為約2 億美元,，規(guī)模尚小,，其應用領域也主要在電力供應、太陽能逆變器等領域,。而未來,，隨著新能源汽車和工業(yè)電機不斷采用SiC 材料，在8-10 年的范圍內,，SiC 半導體市場容量有望超過20 億美元,。目前全球SiC 半導體市場處于絕對領先的企業(yè)是Cree，占據了85%以上的市場份額,。
圖4 全球 SiC 功率半導體市場規(guī)模預測
SiC功率器件路途坎坷
并不是每一個人都同意碳化硅功率器件的應用前景,。ABB公司是高功率半導體的專家，但是在2002年,，瑞典的聯合開發(fā)中心,，終止了SiC 開發(fā)項目。公司半導體研發(fā)部對于此舉措的一個解釋是由basel 平面斷層導致的雙極導通衰減效應,，這反映了單純基于高電壓/高功率應用的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型場效應晶體管,。SiC從長遠上看,，它在高壓應用領域還是比其他種類的開關器件更值得關注的?！?/p>
對于SiC技術的快速開關能力,，ABB Semiconductors 認為，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,，要求半導體緩慢地執(zhí)行開關動作,。對于SiC器件，這就意味著讓它慢慢地開關,，以適應緩沖器的要求,，這會重新引入損耗，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,，現在SiC底層材料的價格是普通Si材料的100 倍(對于3 英寸的SiC晶片)，將來或許會降至10倍,。雖然SiC 晶片的質量有所提升,，器件生產商可以適用更小的模具，同時保證產量,，但是更大尺寸的模具的產量就很低了,。相對于晶片直徑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，質量仍舊很差,。Si晶片的生產次品率很低,，領先SiC 功率器件5 到10 年。對于高功率SiC 器件的時間線可能更長,。其他的開發(fā)人員也意識到了SiC 的缺點,，但是仍在繼續(xù)開發(fā)并試圖改進。
功率半導體的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)系列大功率半導體器件,。晶閘管發(fā)展已有近六十年歷史，技術成熟也得到廣泛應用,，可以借鑒它的歷史來預測碳化硅功率器件,。想當初IGBT興起時，與晶閘管參數指標相差極大,，晶閘管已能做到2-3KV,、2-3KA時，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,，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,，在相當大的一片應用領域里IGBT因其不可替代的優(yōu)越性能獨居鰲頭。但是晶閘管仍以其比較高的性價比守住了自己的大片陣地,。碳化硅材料技術的進展已使部分碳化硅功率器件用于實際成為可能,。但還有許多關鍵的技術問題需要解決。晶閘管電流從小到大,、電壓從低到高經歷了數十年的風風雨雨,，IGBT也有這樣的一個不凡的過程?？梢奡iC功率器件的發(fā)展也會有一個漫長的過程,。