智芯研報 | 碳化硅有望加速進軍軌道交通領域

第三代半導體聯合創新孵化中心

2021年6月21日 16:39

日前，《地鐵列車全碳化硅牽引逆變器研制項目》正式通過中國城市交通協會技術裝備專業委員會專家評審，邁進了實際運營的道路，碳化硅軌道交通又添一名“力將”。

據悉，搭載了這個全碳化硅牽引逆變器的深圳地鐵1號線列車，已經無故障運營5個月以上，累計載客公里數超過6.5萬公里。

行業人士預測，在“碳達峰、碳中和”主題之下，碳化硅有望加速進軍軌道交通領域，未來軌道交通采用碳化硅將是大勢所趨！

Source：株洲新聞網

此次自主研發的國內首臺地鐵列車全碳化硅牽引逆變器，是基于最新一代寬禁帶器件，3300V等級高壓大功率SiC（碳化硅）MOSFET的高頻化應用。通過從基礎理論、關鍵技術、系統集成、試驗考核等層面開展研究。

項目突破了全碳化硅器件應用、電路拓撲、高頻控制等關鍵技術，打破國外行業技術的壟斷，形成高頻、高效、低耗的地鐵牽引系統解決方案。特別是在節能化方面表現優異，經裝車試驗測試，同比傳統硅基IGBT牽引逆變器的傳動系統，綜合能耗降低10%以上，牽引電機在中低速段噪聲同比下降5分貝以上，溫升同比降低40℃以上。

Source：中車浦鎮

更高電壓、更高效率、更高功率密度代表了電力電子器件技術的發展主題。 近年來新興的寬禁帶半導體材料成為工業界的熱點，憑借優越的材料特性為電力電子器件技術帶來了新的發展動力，其中以 SiC 為代表的寬禁帶半導體的技術成熟度較高，在一些應用領域開始逐步取代硅基電力電子器件。

碳化硅功率半導體器件相較于硅基功率器件優勢

SiC MOSFET器件優勢

4H-SiC 的禁帶寬度幾乎為硅的 3 倍，其本征載流子濃度遠低于硅; 熱導率也達到硅的 3 倍，因而更加適合高溫、高電壓工作; 10倍于硅的擊穿場強使 SiC 更適合制作高壓器件，能夠突破硅器件擊穿電壓的極限，達到 10 kV 甚至 20 kV 以上。

高擊穿場強使器件具有厚度更薄、摻雜濃度更高的漂移層，實現更低的比導通電阻和更高的導通電流密度。SiC MOSFET( metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET) 不需要采用超結等復雜結構就可以實現遠低于同電壓等級硅 MOSFET 的比導通電阻。

與此同時，作為單極型器件，SiC MOSFET 具有比同電壓等級硅 IGBT( 絕緣柵雙極型晶體管) 更低的開關損耗，從而實現更高的開關頻率和更高的功率密度。

智芯研報 | 碳化硅有望加速進軍軌道交通領域的圖6

容易實現模塊的小型化、更耐高溫

SiC MOSFET 是目前最為成熟、應用最廣的 SiC 功率開關器。 但是，SiC MOSFET 的溝道遷移率低的問題仍然比較突出，對于中低壓器件( 650 ～ 1 700 V) 溝道電阻占總導通電阻的比例較高。

羅姆和英飛凌采用溝槽結構 SiC MOSFET，沒有 JFET( 結型場效應管) 區，具有更高的溝道密度，同時溝道所在 SiC 晶面具有較高的溝道遷移率，因此能夠實現更低的比導通電阻。

而 Cree 和意法采用平面結構 SiC MOSFET，通過優化器件的結構設計，實現了性能和可靠性俱佳的產品技術，得到了廣泛的應用。

Cree 發布的第三代平面結構 SiCMOSFET，1 200 V 產品的比導通電阻僅為 2． 7 mΩ·cm2，在高壓領域也顯示出優越的性能，10 kV 和 15 kV器件的比導通電阻分別為 123 mΩ·cm2 和 208 mΩ·cm2，接近單極型 SiC 器件的理論極限。

為建立性能優越、可靠性滿足工程應用要求的 SiC 電力電子器件產品技術，南京電子器件研究所( NEDI) 一直從事 SiC MOSFET 器件結構設計和關鍵工藝技術的開發，2017 年研制出 1 200 V SiC 功率MOSFET 器件，擊穿電壓達 1 800 V，比導通電阻 8 mΩ·cm2。

近年來通過對器件結構設計和關鍵工藝技術的不斷優化，SiC MOSFET 器件性能得到了明顯提升，器件阻斷電壓也得到了大幅度擴展。

▌ 1. 器件結構和特征

Si材料中越是高耐壓器件，單位面積的導通電阻也越大（以耐壓值的約2~2.5次方的比例增加），因此600V以上的電壓中主要采用IGBT（絕緣柵極雙極型晶體管）。

IGBT通過電導率調制，向漂移層內注入作為少數載流子的空穴，因此導通電阻比MOSFET還要小，但是同時由于少數載流子的積聚，在Turn-off時會產生尾電流，從而造成極大的開關損耗。

SiC器件漂移層的阻抗比Si器件低，不需要進行電導率調制就能夠以MOSFET實現高耐壓和低阻抗。

而且MOSFET原理上不產生尾電流，所以用SiC-MOSFET替代IGBT時，能夠明顯地減少開關損耗，并且實現散熱部件的小型化。

另外，SiC-MOSFET能夠在IGBT不能工作的高頻條件下驅動，從而也可以實現無源器件的小型化。

與600V~900V的Si-MOSFET相比，SiC-MOSFET的優勢在于芯片面積小（可實現小型封裝），而且體二極管的恢復損耗非常小。

主要應用于工業機器電源、高效率功率調節器的逆變器或轉換器中。

▌ 2. 標準化導通電阻

SiC的絕緣擊穿場強是Si的10倍，所以能夠以低阻抗、薄厚度的漂移層實現高耐壓。

因此，在相同的耐壓值情況下，SiC可以得到標準化導通電阻（單位面積導通電阻）更低的器件。

例如900V時，SiC-MOSFET的芯片尺寸只需要Si-MOSFET的35分之1、SJ-MOSFET的10分之1，就可以實現相同的導通電阻。

不僅能夠以小封裝實現低導通電阻，而且能夠使門極電荷量Qg、結電容也變小。

SJ-MOSFET只有900V的產品，但是SiC卻能夠以很低的導通電阻輕松實現1700V以上的耐壓。

因此，沒有必要再采用IGBT這種雙極型器件結構（導通電阻變低，則開關速度變慢），就可以實現低導通電阻、高耐壓、快速開關等各優點兼備的器件。

▌ 3. VD - ID特性

SiC-MOSFET與IGBT不同，不存在開啟電壓，所以從小電流到大電流的寬電流范圍內都能夠實現低導通損耗。

而Si-MOSFET在150°C時導通電阻上升為室溫條件下的2倍以上，與Si-MOSFET不同，SiC-MOSFET的上升率比較低，因此易于熱設計，且高溫下的導通電阻也很低。

※該數據是ROHM在相同條件下測試的結果，僅供參考。此處表示的特性本公司不做任何保證。

▌ 4. 驅動門極電壓和導通電阻

SiC-MOSFET的漂移層阻抗比Si-MOSFET低，但是另一方面，按照現在的技術水平，SiC-MOSFET的MOS溝道部分的遷移率比較低，所以溝道部的阻抗比Si器件要高。

因此，越高的門極電壓，可以得到越低的導通電阻（VCS=20V以上則逐漸飽和）。

如果使用一般IGBT和Si-MOSFET使用的驅動電壓VGS=10~15V不能發揮出SiC本來的低導通電阻的性能，所以為了得到充分的低導通電阻，推薦使用VGS=18V左右進行驅動。

SiC產業鏈：歐美占據關鍵位置

SiC生產過程分為SiC單晶生長、外延層生長及器件制造三大步驟，對應的是產業鏈襯底、外延、器件與模組三大環節。

SiC襯底：SiC晶體通常用Lely法制造，國際主流產品正從4英寸向6英寸過渡，且已經開發出8英寸導電型襯底產品，國內襯底以4英寸為主。由于現有的6英寸的硅晶圓產線可以升級改造用于生產SiC器件，所以6英寸SiC襯底的高市占率將維持較長時間。

SiC外延：通常用化學氣相沉積（CVD）方法制造，根據不同的摻雜類型，分為n型、p型外延片。國內瀚天天成、東莞天域已能提供4寸/6寸SiC外延片。

SiC器件：國際上600~1700VSiCSBD、MOSFET已經實現產業化，主流產品耐壓水平在1200V以下，封裝形式以TO封裝為主。價格方面，國際上的SiC產品價格是對應Si產品的5~6倍，正以每年10%的速度下降，隨著上游材料器件紛紛擴產上線，未來2~3年后市場供應加大，價格將進一步下降，預計價格達到對應Si產品2~3倍時，由系統成本減少和性能提升帶來的優勢將推動SiC逐步占領Si器件的市場空間。

全球SiC產業格局呈現美國、歐洲、日本三足鼎立態勢。 其中美國全球獨大，全球SiC產量的70%~80%來自美國公司，典型公司是Cree、Ⅱ-Ⅵ；歐洲擁有完整的SiC襯底、外延、器件以及應用產業鏈，典型公司是英飛凌、意法半導體等；日本是設備和模塊開發方面的領先者，典型公司是羅姆半導體、三菱電機、富士電機等。

▌ 國內企業SiC布局

SiC襯底方面 ，天科合達、山東天岳、同光晶體等均能供應3英寸~6英寸的單晶襯底。

SiC外延片方面 ，廈門瀚天天成與東莞天域生產3英寸~6英寸SiC外延片。

SiC器件IDM方面 ，中電科55所是國內少數從4-6寸碳化硅外延生長、芯片設計與制造、模塊封裝領域實現全產業鏈的企業單位，其6英寸碳化硅中試線已投入運行，旗下的控股子公司揚州國揚電子為“寬禁帶電力電子器件國家重點實驗室”的重要實體單位，專業從事以碳化硅為代表的新型半導體功率模塊的研制和批產，現有一條于2017年投產、產能50萬只/年的模塊工藝線。

泰科天潤已經量產SiCSBD，產品涵蓋600V/5A～50A、1200V/5A～50A和1700V/10A系列。深圳基本半導體擁有獨創的3DSiC技術，推出的1200VSiCMOSFET性能達到業界領先水平。

SiC器件Fabless方面 ，上海瞻芯電子于2018年5月成功地在一條成熟量產的6英寸工藝生產線上完成SiCMOSFET的制造流程。

代工方面 ，三安光電旗下的三安集成于2018年12月公布商業版本的6英寸碳SiC晶圓制造流程，并將其加入到代工組合當中。根據公司新聞稿，目前三安SiC工藝技術可以為650V、1200V和更高額定電壓的肖特基勢壘二極管（SBD）提供器件結構，公司預計在不久后會推出針對900V、1200V和更高額定電壓的SiCMOSFETs產品。

▌ 國外重要SiC企業梳理

1、Cree

Cree旗下的Wolfspeed是生產SiC肖特基二極管、SiCMOSFET元件以及模塊，以及GaN器件的先驅公司，在SiC/GaN材料方面具有30年經驗，在SiC功率市場與GaN射頻器件市場具有領導地位。

在SiC功率器件市場，Wolfspeed占據市場最大的份額，是行業第一家商用SiCMOSFET的企業，服務上千家客戶；在GaN射頻器件市場，Wolfspeed市場份額位居第二，具備十年以上的GaNHEMT生產經驗，出貨量超過1500萬只；在SiC材料市場，Wolfspeed是第一家提供商業化SiC晶圓產品的企業（1991年），且在其后的30年發展中引領了SiC晶圓尺寸的由小變大（目前為8寸），是名副其實的市場引領者。

Wolfspeed同時提供GaN-on-SiC代工服務，改變了行業傳統的IDM業態。作為GaN-on-SiCMMIC技術的領導者，公司運用世界上最大的寬禁帶半導體生產線為客戶提供從設計協助到制造、測試服務，縮短下游客戶產品推出周期。國內三安集成的GaN代工服務與之類似。

Wolfspeed雖然目前是Cree三大部門（LED、LED照明應用、Wolfspeed）中體量最小的，但已經是公司最核心的業務部門。Wolfspeed2018年實現營收3.29億美元，同比增長25.47%；毛利率高達47%。根據公開業績說明會，Wolfspeed的目標是在2022年收入番兩番，達到8.5億美元，屆時將成為Cree最大的收入來源。在Wolfspeed看來，到2022年只要有25%的目標市場轉換為SiC和GaN，就將是20億美元的市場，是現今市場的8倍，公司為極具潛力的SiC和GaN已經做好了準備。

2、英飛凌

Infineon是市場上唯一一家提供涵蓋Si、SiC和GaN等材料的全系列功率產品的公司，開發的CoolSiC技術具備非常大的潛力。Infineon于1992年開始SiC領域研發，2001全球首次SiC二極管推出商業市場，于2006年推出全球首個采用SiC組件的商用電源模塊，目前已經已經發展至第五代。公司近年在奧地利投入三千五百萬歐元對SiC設備和相關工藝的研發。

2018年2月Infineon與Cree宣布簽訂了戰略性長期供貨協議，負責向后者提供SiC晶圓；11月收購Siltectra獲得ColdSplit技術，相比傳統研磨90％的材料浪費，該技術將耗材成本降低50％，并將整體切片成本降低30％。

3、ROHM（羅姆半導體）

ROHM是日本首家、全球第四家具備SiC器件量產能力的半導體廠商，其優勢在于實現從襯底到模塊的垂直整合。根據Yole的統計，Infineon和Cree兩家公司占據了整個SiC市場份額68%，其后便是ROHM。為了把握SiC材料快速增長的機遇，根據公開業績說明會，公司計劃分批投入共計600億日幣，至2025年時將SiC的產能提升至2017年的16倍。力爭到2025年，ROHM能在全球SiC市場的份額達到30%。