碳化硅功率器件的案例
技術 | 碳化硅功率器件的三大關鍵技術！
碳化硅功率器件與傳統硅功率器件制作工藝不同，不能直接制作在碳化硅單晶材料上，必須在導通型單晶襯底上額外生長高質量的外延材料，并在外延層上制造各類器件。
功率器件行業發展到IGBT(絕緣柵雙極晶體管)時期，硅基器件的性能已經接近極限，邊際成本越來越高。
半導體器件產業仍對高功率、高頻切換、高溫操作、高功率密度等有著越來越多的需求，因此以SiC(碳化硅)、GaN(氮化鎵)等第三代半導體材料為核心的寬禁帶功率器件成為了研究熱點與新發展方向，并逐步進入應用量產階段。
SiC功率器件性能優勢
SiC功率半導體的發展改善了功率開關器件的硬開關特性，耐壓可達數萬伏，耐溫可達500℃以上，其性能優勢如下：
(1)寬禁帶可大幅減小泄漏電流，從而減少高功率器件損耗；
(2)高擊穿場強可提高功率器件耐壓能力與電流密度，減小整體尺寸；
(3)高熱導率可改善耐高溫能力，有助于器件散熱，減小散熱設備體積，提高集成度，增加功率密度；
(4)強抗輻射能力，更適合在外太空等輻照條件下應用。理論上，SiC器件是實現高壓、高溫、高頻、高功率及抗輻射相結合的理想材料，主要應用于大功率場合，可實現模塊及應用系統的小型化、集成化，提高功率密度和系統效率。
展開 智芯研報 | 碳化硅功率器件發力電動飛機市場
SiC 能大大降低功率轉換中的開關損耗
SiC 更容易實現模塊的小型化、更耐高溫
碳化硅功率半導體器件相較于硅基功率器件優勢
02
????????????碳化硅功率半導體器件產業鏈
碳化硅功率半導體器件從上個世紀70年代開始研發，經過30年的積累，于2001年開始商用碳化硅SBD器件，之后于2010年開始商用碳化硅MOSFET器件，當前碳化硅IGBT器件還在研發當中。
碳化硅功率器件發展歷程
資料來源：太平洋證券
碳化硅功率器件整個生產過程大致如下圖所示，主要會分為碳化硅單晶生產、外延層生產、器件制造三大步驟，分別對應產業鏈的襯底、外延、器件和模組三大環節。
展開 智芯研報 | 碳化硅SiC功率器件在電動汽車中的研究與應用
▲碳化硅智能功率模塊
與傳統硅基器件相比，SiC的擊穿場強是傳統硅基器件的10倍，導熱系數是傳統硅基器件的3倍，非常適合于高壓應用，如電源、太陽能逆變器、火車和風力渦輪機。
另外，SiC還用于制造LED。碳化硅材料各項指標均優于硅，其禁帶寬度幾乎是硅的3倍，理論工作溫度可達600℃，遠高于硅器件工作溫度。技術成熟度最高，應用潛力最大。
碳化硅器件具有更低的導通電阻。
在低擊穿電壓 (約 50V 下）,碳化硅器件的比導通 電阻僅有 1.12uΩ,是硅同類器件的約 1/100。
在高擊穿電壓 (約 5kV 下）,比導通電 阻提高到 25.9mΩ, 卻是硅同類器件的約 1/300。
更低的導通電阻使得碳化硅電力電子器件具有更小的導通損耗,從而能獲得更高的整機效率。
商業化的硅肖特基二極管通常耐壓在 300V 以下,而首個商業化的碳化硅肖特基二極管的電壓定額就已近達到了600V ; 首個商業化的碳化硅 MOSFET 電壓定額為 1200V ,而常用的硅 MOSFET大多在 1kV 以下。
▲典型的EV/HEV電路框圖及適用于SiC/GaN的可能性
碳化硅器件的極限工作溫度有望達到 600℃以上, 而硅器件的最大結溫僅為 150℃。
碳化硅器件抗輻射能力較強,在航空等領域應用可以減輕輻射屏蔽設備的重量。
碳化硅器件對電動車充電模塊性能的提升主要體現在三方面：
（1）提高頻率，簡化供電網絡；
（2）降低損耗，減少溫升。
（3）縮小體積，提升效率。
展開 碳化硅功率器件的性能分析與多芯片并聯應用研究--碳化硅MOSFET&功率模塊
碳化硅MOSFET
碳化硅MOSFET具有正向導通電阻低、開關速度快、驅動電路筒單等優點。碳化硅MOSFET的漂移區相對較薄，它的正向導通電阻低，導通損耗也小。由于正向電阻小,所以相較于傳統硅IGBT，在相同的耐壓和導流能力條件下碳化硅MOSFET的面積可以更小，從而其結電容也更小（相對介電常數：碳化硅9.66，硅11.9，＠300K），較小的結電容使得器件的開關速度更快。
碳化硅MOSFET是電壓型驅動器件，驅動功耗較低，而柵氧結構讓它的柵極輸入阻抗極大，所以碳化硅MOSFET的驅動電路相對筒單，并且從電路拓撲上來說傳統硅IGBT的驅動電路可以直接驅動碳化硅MOSFET，所以碳化硅功率MOSFET被視為硅IGBT的最理想替代品。
碳化硅MOSFET的工作原理可以用圖2.3中的垂直型DMOS來說明。
當柵源之間存在正偏壓，并且高于閾值電壓時，柵極下方在SiC表面形成了反型溝道，從源極到漏極形成了導電通路，MOSFET導電通路的等效電阻由如圖2.3中所示的幾個部分等效電阻串聯組成。
當柵源之間短路或者在柵源之間施加反偏電壓時，溝道被斷開，源極到漏極的電流通路不復存在，漏源之間開始具備承受高電壓應力的條件。
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當國產氮化硅陶瓷基板邂逅碳化硅功率模塊，中國新能源汽車開啟性能狂飆模式
▲采用AMB工藝氮化硅陶瓷覆銅基板封裝第3代半導體碳化硅芯片、碳化硅功率器件
采用AMB工藝氮化硅陶瓷覆銅基板則是利用包括鈦Ti、鋯Zr、鉭Ta、鈮Nb、釩V、鉿Hf等活性金屬元素可以潤濕陶瓷表面的特性，將覆銅層通過活性金屬釬料釬焊在氮化硅陶瓷基板上。通過活性金屬釬焊AMB工藝形成的銅與氮化硅陶瓷界面粘結強度更高，且氮化硅陶瓷基板相比Al2O3氧化鋁陶瓷基板和AlN氮化鋁陶瓷基板同時兼顧了優異的機械性能和良好的導熱性，因此采用AMB工藝氮化硅陶瓷覆銅基板各方面性能比較均衡，在高溫下的工作可靠性能更強，所以說氮化硅陶瓷覆銅基板是氧化鋁陶瓷基板和氮化鋁陶瓷基板升級產品，是第3代半導體材料SiC汽車電子功率器件模塊封裝完美之選。
三、當氮化硅陶瓷基板邂逅碳化硅功率模塊，新能源汽車開啟性能狂飆模式
碳化硅SiC作為第3代寬禁帶半導體材料，相對于第1代Si硅基半導體器件具有禁帶寬度大、熱導率高、擊穿電場高、電子飽和速率高、抗輻射能力強等眾多技術優勢，尤其是在高頻、高溫、高壓等工作場景中，有著易散熱、小體積、 高功率、低能耗等諸多明顯的優勢特點。
當氮化硅陶瓷基板邂逅碳化硅功率模塊，氮化硅基板的優異高強度和高導熱的綜合性能，完美配套升級碳化硅功率模塊的性能優勢。氮化硅基板配套升級碳化硅功率模塊的寬禁帶特性有助于提高碳化硅器件的穩定性，使其具備良好的耐高溫性、耐高壓性和抗輻射性，顯著提升器件功率密度，從而利于系統散熱與終端小型輕便化；氮化硅基板配套升級碳化硅功率模塊的高擊穿電場強度特性，有助于提高碳化硅器件的功率范圍，降低通電電阻，使其具備耐高壓性和低能耗性，利于器件體積薄化的同時提高系統驅動力；氮化硅基板配套升級碳化硅功率模塊的高飽和電子漂移速率特性意味著較低的電阻，顯著降低能量損失，簡化周邊被動器件，大幅提升開關頻率同時提高整機效率。
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5、碳化硅功率半導體存在的問題
盡管碳化硅功率器件應用前景廣闊，但是目前受限于價格過高等因素，迄今為止，市場規模并不大，應用范圍并不廣，主要集中于光伏、電源等領域。目前碳化硅器件應用存在的主要問題有：
碳化硅功率器件的驅動技術尚不成熟。為了充分發揮碳化硅功率器件的高頻、高溫特性，要求其驅動芯片具有工作溫度高、驅動電流大和可靠性高的特點。目前驅動芯片沿用硅器件的驅動技術，尚不能滿足要求。
碳化硅功率器件的保護技術尚不完善。碳化硅功率器件具有開關頻率快、短路時間短等特點，目前器件保護技術尚不能滿足需求。
碳化硅器件的電路應用開關模型尚不能全面反映碳化硅功率器件的開關特性，尚不能對碳化硅器件的電路拓撲仿真設計提供準確的指導。
碳化硅功率器件應用中的電磁兼容問題尚未完全解決。
碳化硅功率器件應用的電路拓撲尚不夠優化。目前碳化硅功率器件的應用電路拓撲基本上沿用硅器件的電路拓撲，沒有開發出完全發揮碳化硅功率器件優勢的新型電路拓撲結構。
整體而言，第三代半導體技術尚處于發展狀態，還有許多不足之處。以當前運用程度最高的碳化硅為例，其技術上尚有幾個缺陷：
材料成本過高。目前碳化硅芯片的工藝不如硅成熟，主要為4英寸晶圓，材料的利用率不高，而Si芯片的晶圓早已經發展到12寸。具體而言，相同規格的產品，碳化硅器件的整體價格達到硅器件的5-6倍。
高溫損耗過大。碳化硅器件雖然能在高溫下運行，但其在高溫條件下產生的高功率損耗很大程度上限制了其應用，這是與器件開發之初的目的相違背的。
封裝技術滯后。目前碳化硅模塊所使用的封狀技術還是沿用硅模塊的設計，其可靠性和壽命均無法滿足其工作溫度的要求。
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圖（四）雙向OBC拓撲簡圖
結合新能源汽車行業的發展趨勢和碳化硅功率器件的特點，碳化硅二極管和MOSFET已經在OBC應用中占據一定市場份額，未來的市場占比會逐步擴大，具備較為廣闊的市場。
4． 新一代符合OBC應用的碳化硅功率器件
碳化硅功率器件相比硅基器件具有很多優勢，但部分技術指標和參數需要進一步提升，才能更好的適用于OBC系統。
4.1 適合OBC應用的新一代碳化硅肖特基二極管：
PFC電路是碳化硅二極管在OBC系統中的主要應用電路之一，其對二極管器件的抗浪涌能力要求較高，相比于硅基二極管，碳化硅二極管的抗浪涌電流能力相對較弱。如何在保證VF 、IR 、QC等核心參數不變或提升的情況下，提升器件的抗浪涌電流能力是碳化硅二極管發展面臨的重要課題之一。基本半導體推出的適合OBC行業應用的650V、20A碳化硅肖特基二極管（B1D20065HC），與國際主流競爭對手相比，主要技術參數與對手處在同一水平線或達到業內領先水平。
展開 揭秘第三代芯片材料：SiC
通過在導電型碳化硅襯底上生長碳化硅外延層，制得碳化硅同質外延片，可進一步制成肖特基二極管、MOSFET、IGBT 等功率器件。
2、 半絕緣型襯底：具有高電阻率（≥105Ω·cm）的碳化硅襯底。通過在半絕緣型碳化硅襯底上生長氮化鎵外延層，制得碳化硅基氮化鎵外延片，可進一步制成微波射頻器件。
▲碳化硅器件產業鏈
優異的性能使得碳化硅材料應用領域廣闊，目前主流的器件種類為功率器件（碳化硅基碳化硅）和射頻器件（碳化硅基氮化鎵），可以說需要高壓和高頻器件的應用場景，都是碳化硅潛在替代的市場。尤其是對電力轉換需求頻繁、使用條件苛刻及對模塊體積和重量等有要求的場景，碳化硅器件優勢明顯：
1、 功率器件（電力電子領域）
應用一：電動車逆變器及充電樁。電動車逆變器是碳化硅功率器件最為主要的市場，在相同功率下，碳化硅模塊封裝尺寸更小，損耗更低。在動力電池性能提升已經有限的情況下，碳化硅功率器件將成為提升電動車延長行駛里程、縮短充電時間及增大電池容量的重要手段。
國內外知名車企也在積極推動碳化硅器件的應用。特斯拉是全球第一家將碳化硅 MOSFET 應用于商用車主逆變器的廠商，Model 3 的主逆變器采用了意法半導體生產的 24 個碳化硅MOSFET 功率模塊。隨后國內廠商比亞迪也迅速跟進，在漢 EV 上搭載了自主研發的碳化硅功率模塊。未來隨著碳化硅材料成本的不斷下降，未來將有更多車型使用碳化硅器件。碳化硅器件也可應用于新能源汽車 充電樁，可以減小充電樁體積，提高充電速度。
應用二：光伏逆變器。光伏發電系統中，硅基逆變器成本占系統的 10%，但卻是系統能量損耗的主要來源。
展開 碳化硅產業鏈全面梳理
半導體產業的基石是芯片，制作芯片的核心材料按照歷史進程分為：第一代半導體材料（大部分為目前廣泛使用的高純度硅），第二代化合物半導體材料（砷化鎵、磷化銦），第三代化合物半導體材料以碳化硅和氮化鎵為代表。
碳化硅是第三代半導體產業發展的重要基礎材料，碳化硅功率器件以其優異的耐高壓、耐高溫、低損耗等性能，能夠有效滿足電力電子系統的高效率、小型化和輕量化要求。
在新能源汽車、光伏發電、軌道交通、智能電網等領域具有明顯優勢。
因其優越的物理性能：高禁帶寬度（對應高擊穿電場和高功率密度）、高電導率、高熱導率，有望成為未來最被廣泛使用的制作半導體芯片的基礎材料。
圖表來源：IHS Market
近年來新能源汽車驅動碳化硅行業高速成長，較傳統的燃油汽車相比，新能源汽車半導體元器件功率更大，性能要求更高，用量幾倍于傳統燃油汽車。
根據現有技術方案，每輛新能源汽車使用的功率器件價值約700美元到1000美元。
隨著新能源汽車的發展，對功率器件需求量日益增加，成為功率半導體器件新的增長點。使用碳化硅襯底材料，為新能源汽車節省大量成本。
碳化硅產業鏈
半導體芯片分為集成電路和分立器件，但不論是集成電路還是分立器件，其基本結構都可劃分為“襯底-外延-器件”結構。
碳化硅產業鏈也可分為三個環節：分別是上游襯底，中游外延片和下游器件制造。
圖表來源：中信證券
碳化硅上游 -- 襯底
碳化硅在半導體中存在的主要形式是作為襯底材料。
碳化硅晶片作為半導體襯底材料，長晶難度大，技術壁壘高，毛利率可達50%左右。
已經過外延生長、器件制造等環節，可制成碳化硅基功率器件和微波射頻器件。晶片尺寸越大，對應晶體的生長與加工技術難度越大。
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半導體產業的基石是芯片，制作芯片的核心材料按照歷史進程分為三代：第一代半導體材料大部分為目前廣泛使用的高純度硅，第二代化合物半導體材料包括砷化鎵、磷化銦，第三代化合物半導體材料以碳化硅和氮化鎵為代表。
碳化硅是第三代半導體產業發展的重要基礎材料，碳化硅功率器件以其優異的耐高壓、耐高溫、低損耗等性能，能夠有效滿足電力電子系統的高效率、小型化和輕量化要求。
在新能源汽車、光伏發電、軌道交通、智能電網等領域具有明顯優勢。
因其優越的物理性能：高禁帶寬度（對應高擊穿電場和高功率密度）、高電導率、高熱導率，有望成為未來最被廣泛使用的制作半導體芯片的基礎材料。
圖表來源：IHS Market
近年來新能源汽車驅動碳化硅行業高速成長，較傳統的燃油汽車相比，新能源汽車半導體元器件功率更大，性能要求更高，用量幾倍于傳統燃油汽車。
根據現有技術方案，每輛新能源汽車使用的功率器件價值約700美元到1000美元。
隨著新能源汽車的發展，對功率器件需求量日益增加，成為功率半導體器件新的增長點。使用碳化硅襯底材料，為新能源汽車節省大量成本。
一、碳化硅產業鏈
半導體芯片分為集成電路和分立器件，但不論是集成電路還是分立器件，其基本結構都可劃分為“襯底-外延-器件”結構。
碳化硅產業鏈也可分為三個環節：分別是上游襯底，中游外延片和下游器件制造。
圖表來源：中信證券
碳化硅上游——襯底
碳化硅在半導體中存在的主要形式是作為襯底材料。碳化硅晶片作為半導體襯底材料，長晶難度大，技術壁壘高，毛利率可達50%左右。
展開 揭秘第三代半導體材料核心，國產替代潛力巨大
碳化硅功率器件產業鏈公司梳理：
資料來源：銀河證券
Yole預計2025年碳化硅射頻器件全球市場規模可達250億美元，2023年碳化硅功率器件全球市場規模可達14億美元。
在未來的10年內，碳化硅器件有望大范圍地應用于工業及電動汽車領域。
資料來源：Yole, 中信建投
目前碳化硅（SiC）半導體仍處于發展初期，晶圓生長過程中易出現材料的基面位錯，以致碳化硅器件可靠性下降。
另一方面，晶圓生長難度導致碳化硅材料價格昂貴，預計想要大規模得到應用仍需一段時期的技術改進。
汽車應用領域，碳化硅器件替代硅器件是確定的發展趨勢。碳化硅功率器件的應用領域在持續的拓展。
新能源汽車產業作為一個體量快速增長、技術持續革新的戰略新興產業，將在汽車電動化滲透率提升的過程中為多個細分技術領域提供廣闊的舞臺，國內產業鏈內有望涌現多家技術領先型的黑馬企業。
特斯拉Model3是第一個集成全SiC功率模塊的車企，主要采購意法半導體的650V碳化硅功率器件，特斯拉逆變器由24個1-in-1功率模塊組成，這些模塊組裝在針翅式散熱器上。
比亞迪車規級的IGBT已經走到5代，碳化硅Mosfet已經走到3代，第4代正在開發當中，目前在規劃自建產線。若如期實現，比亞迪將繼續維持國內三電技術領先的地位，并且在續航表現上與其他國內車企拉開一大截。
5G基站方面，對碳化硅襯底也有較大需求。
展開 
碳化硅材料技術對器件可靠性的影響
來源：基本半導體
碳化硅產業鏈包含碳化硅粉末、碳化硅晶錠、碳化硅襯底、碳化硅外延、碳化硅晶圓、碳化硅芯片和碳化硅器件封裝環節。其中襯底、外延片、晶圓、器件封測是碳化硅價值鏈中最為關鍵的四個環節，襯底成本占到碳化硅器件總成本的50%，外延、晶圓和封裝測試成本分別為25%、20%和5%。碳化硅材料的可靠性對最終器件的性能有著舉足輕重的意義，基本半導體從產業鏈各環節探究材料特性及缺陷產生的原因，與上下游企業協同合作提升碳化硅功率器件的可靠性。
01碳化硅晶錠生長及制備方法
碳化硅有多達250余種同質異構體，用于制作功率半導體的主要是4H-SiC單晶結構。碳化硅單晶生長過程中，4H晶型生長窗口小，對溫度和氣壓設計有著嚴苛標準，生長過程中控制不精確將會得到2H、3C、6H和15R等其他結構的碳化硅晶體。
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另一方面，晶圓生長難度導致碳化硅材料價格昂貴，預計想要大規模得到應用仍需一段時期的技術改進。
汽車應用領域，碳化硅器件替代硅器件是確定的發展趨勢。碳化硅功率器件的應用領域在持續的拓展。
新能源汽車產業作為一個體量快速增長、技術持續革新的戰略新興產業，將在汽車電動化滲透率提升的過程中為多個細分技術領域提供廣闊的舞臺，國內產業鏈內有望涌現多家技術領先型的黑馬企業。
特斯拉Model3是第一個集成全SiC功率模塊的車企，主要采購意法半導體的650V碳化硅功率器件，特斯拉逆變器由24個1-in-1功率模塊組成，這些模塊組裝在針翅式散熱器上。
比亞迪車規級的IGBT已經走到5代，碳化硅Mosfet已經走到3代，第4代正在開發當中，目前在規劃自建產線。若如期實現，比亞迪將繼續維持國內三電技術領先的地位，并且在續航表現上與其他國內車企拉開一大截。
5G基站方面，對碳化硅襯底也有較大需求。根據Yole和CREE預測，受益5G的普及與5G基站的建設，碳化硅基氮化鎵外延功率器件市場規模將從2018年6.45億美金增長到2024年的20億美金，年均復合增速達20.76%，2027年市場規模有望達到35億美金。
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前言
碳化硅產業鏈包含碳化硅粉末、碳化硅晶錠、碳化硅襯底、碳化硅外延、碳化硅晶圓、碳化硅芯片和碳化硅器件封裝環節。其中襯底、外延片、晶圓、器件封測是碳化硅價值鏈中最為關鍵的四個環節，襯底成本占到碳化硅器件總成本的50%，外延、晶圓和封裝測試成本分別為25%、20%和5%。碳化硅材料的可靠性對最終器件的性能有著舉足輕重的意義，基本半導體從產業鏈各環節探究材料特性及缺陷產生的原因，與上下游企業協同合作提升碳化硅功率器件的可靠性。
01
碳化硅晶錠生長及制備方法
碳化硅有多達250余種同質異構體，用于制作功率半導體的主要是4H-SiC單晶結構。
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前言
碳化硅產業鏈包含碳化硅粉末、碳化硅晶錠、碳化硅襯底、碳化硅外延、碳化硅晶圓、碳化硅芯片和碳化硅器件封裝環節。其中襯底、外延片、晶圓、器件封測是碳化硅價值鏈中最為關鍵的四個環節，襯底成本占到碳化硅器件總成本的50%，外延、晶圓和封裝測試成本分別為25%、20%和5%。碳化硅材料的可靠性對最終器件的性能有著舉足輕重的意義，基本半導體從產業鏈各環節探究材料特性及缺陷產生的原因，與上下游企業協同合作提升碳化硅功率器件的可靠性。
01
碳化硅晶錠生長及制備方法
碳化硅有多達250余種同質異構體，用于制作功率半導體的主要是4H-SiC單晶結構。碳化硅單晶生長過程中，4H晶型生長窗口小，對溫度和氣壓設計有著嚴苛標準，生長過程中控制不精確將會得到2H、3C、6H和15R等其他結構的碳化硅晶體。
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