高溫SiC器件的案例
高溫SiC器件的特性及發展
王俊教授近十年主要從事功率半導體器件及其在電力電子系統中應用的研究，研制了世界首個碳化硅ETO晶閘管，在國際高水平刊物和會議上已發表論文七十余篇，獲2項美國發明專利和1項日本發明專利，5項中國專利。主要研究方向包括：1）硅基功率MOSFET和IGBT的研究，碳化硅（SiC）功率器件的研究，3）氮化鎵（GaN）器件的研究，4)電力電子器件的智能驅動，5）高功率密度變換器的研究。近年來，主持參與了國家自然科學基金面上項目、國家“863”項目和企業橫向合作項目等。
來源：寬禁帶半導體技術創新聯盟
AEC-Q101 | SiC功率器件高溫反偏
SiC功率器件的概況
SiC（碳化硅）功率器件以其耐高溫、耐高壓、低開關損耗等特性，能有效實現電力電子系統的高效率、小型化、輕量化、高功率密度等要求，受到了新能源汽車、光伏發電、軌道交通、智能電網等領域的追捧。
在車用領域，SiC功率器件在能量轉換效率上的顯著優勢，能有效增加電動汽車的續航里程和充電效率。另外，SiC器件的導通電阻更低、芯片尺寸更小、工作頻率更高，能夠使電動汽車適應更加復雜的行駛工況。隨著SiC良率的提升、成本的降低，SiC功率器件在新能源汽車上的裝機量會大幅上升，SiC功率器件的車用需求也會迎來跨越式發展。
當前，SiC全球產業布局上，形成美、歐、日三強態勢，但與第一代、第二代半導體材料相比，全球第三代半導體產業均還在發展初期，國內與主流SiC產業差距不大，為國產三代半產業提供了彎道超車、打入半導體元器件高端產業鏈的機會。
國產SiC功率器件面臨的主要問題
目前，SiC產業普遍遇到的問題是良率低、成本高的瓶頸，而對于國產器件，一致性和可靠性也是其市場應用的攔路虎，要獲取市場信任與認可，可靠性驗證是必經之路。驗證SiC功率器件高溫與高壓下的模擬壽命，可采用高溫反偏（HTRB）作為基礎的驗證試驗。
SiC功率器件的高溫反偏試驗
1、高溫反偏試驗的作用
高溫反偏試驗是模擬器件在靜態或穩態工作模式下，以最高反偏電壓或指定反偏電壓進行工作，以研究偏置條件和溫度隨時間對器件的壽命模擬。甚至一些廠商還會將其作為一篩或二篩的核心試驗。
2、高溫反偏的試驗條件
分立器件的高溫反偏主要采用的試驗標準有MIL-STD-750 方法1038、JESD22-A108、GJB 128A-1997 方法1038、AEC-Q101表2 B1項等。
展開 SiC器件大戰一觸即發
英飛凌將把這項技術用于碳化硅（SiC）晶圓的切割上，從而讓單片晶圓可出產的芯片數量翻番。進一步加碼碳化硅市場。
在早些時候，意法半導體CEO在接受半導體行業觀察等媒體采訪也談到，該公司的碳化硅產品已實現批量出貨，年出貨金額在今年能突破一億美元，市場占有率高達90%；X—Fab也聲稱將擴大晶圓的生產；日本羅姆今年四月也宣布，將在其福岡筑后工廠投建新廠房，擴充碳化硅產能。
多方面的消息證明，碳化硅大戰一觸即發。
SiC功率器件需求大增
據Semiconductor Engineering報道，SiC是一種基于硅和碳的復合半導體材料。在生產流程中，專門的SiC襯底被開發出來，然后在晶圓廠中進行加工，得到基于SiC的功率半導體。許多基于SiC的功率半導體和競爭技術都是專用晶體管，它們可以在高電壓下開關器件的電流。它們用于電力電子領域，可以實現系統中電力的轉換和控制。
得益于其垂直架構，因此相較于氮化鎵和硅，碳化硅可以承受更高的電壓，能適用于1000V以上的應用市場。以硅而言，目前硅基MOSFET多應用在1000V以下，約600~900V之間，若是超過1000V，其芯片體積(Chip Size)會變得很大，以及切換損耗、寄生電容都會跟著提升，另外價格也會大漲，因此較不適用于1000V以上的應用。而SiC因其寬帶隙技術脫穎而出。而與傳統硅基器件相比，SiC的擊穿場強更是傳統硅基器件的10倍，導熱系數是傳統硅基器件的3倍，具有極其強大的優勢。
SiC和GaN設計方式不同，耐壓程度也因而有所差異。
羅姆在接受半導體行業觀察采訪時也表示，在功率元器件領域中，SiC作為新一代材料備受矚目，與傳統使用的Si相比，SiC元器件實現低導通電阻、高速開關、高溫工作。
展開 技術 | SiC技術器件和應用
來源：電力電子技術與新能源
往期回顧
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Qorvo收購SiC器件供應商UnitedSiC
來源：半導體行業觀察
射頻解決方案的領先供應商Qorvo今天宣布，公司已收購位于新澤西州普林斯頓的 United SiliconCarbide (UnitedSiC)，一家領先的碳化硅 (SiC) 功率半導體制造商。據介紹，收購 United Silicon Carbide 將 Qorvo 的影響力擴大到快速增長的電動汽車 (EV)、工業電源、電路保護、可再生能源和數據中心電源市場。據報道，在收購之后，UnitedSilicon Carbide 將成為 Qorvo 基礎設施和國防產品 (IDP) 業務的一部分，由 Chris Dries 博士領導，Chris Dries 博士曾任 United Silicon Carbide 總裁兼首席執行官，現在是 Qorvo 功率器件解決方案的總經理。
Qorvo IDP 總裁Philip Chesley 表示：“UnitedSiC加入我們的 IDP 事業部，顯著擴大了我們在高功率應用領域的市場機會。此次收購使 Qorvo 能夠提供高價值、一流的智能電源解決方案，涵蓋電源轉換、運動控制和電路保護應用。”
Dries 博士表示：“作為 Qorvo 的一部分，我們的團隊很高興能夠擴展我們的 SiC 產品組合，并繼續以速度和規模構建業務，努力通過業界最高性能的設備加速 SiC 的采用。我們的 SiC 技術，加上 Qorvo 互補的可編程電源管理產品和世界一流的供應鏈能力，使我們能夠在高級應用中提供卓越的電源效率水平。”
United Silicon Carbide 的產品組合現在涵蓋 80 多種 SiC FET、JFET 和肖特基二極管器件。
展開 離子注入可以優化SiC器件設計
碳化硅 (SiC) 單極半導體具有廣泛的商業用途，但它們的操作受到擊穿電壓和漂移層比電阻或比導通電阻之間的權衡關系的限制。包括超結結構，即在漂移層的溝槽中排列 n 和 p 層，或在器件中實現雙極操作，提供了一種克服這種單極限制的方法。雙極操作通過在漂移層中引起電導調制而導致導通電阻的大幅降低。但雙極操作并非沒有缺點。雙極器件中的傳導和開關損耗需要仔細平衡。
半導體中的 P 型接觸層通常通過鋁 (Al) 摻雜形成。鋁摻雜可以通過兩種方式實現——外延或離子注入。外延生長涉及在襯底上逐層沉積半導體材料，而離子注入需要用高能帶電粒子轟擊半導體層。但是離子注入會導致在半導體層深處形成缺陷，這可能對電導率調制產生關鍵影響。
在最近發表在 Physica Status Solidi (b ) 上的一項研究中，來自日本的研究人員調查了由 Al 摻雜形成的 SiC 雙極二極管中缺陷的深度分布。“我們的研究結果將有助于 SiC 功率器件的優化設計，該器件很快將用于電動汽車、火車等。這些結果最終將有助于提高車輛和火車牽引系統的性能、尺寸和能耗，”領導這項研究的名古屋工業大學副教授 Masashi Kato 博士說。
為了研究缺陷的深度分布，研究小組制造了兩個帶有 Al 摻雜 p 層的 SiC PiN 二極管，一個通過外延生長，另一個通過離子注入。然后，他們使用傳統的“深能級瞬態光譜”（DLTS）研究了兩個二極管中的缺陷分布，并使用陰極發光（CL）表征了其特性。他們發現通過外延生長的 p 型層沉積不會對相鄰的 n 型層造成損壞，但生長表現出輕微的不穩定性，導致形成深能級缺陷。由于電導調制的影響，該二極管的特定導通電阻也很低。
展開 離子注入可以優化SiC器件設計
來源：摩爾芯聞
編譯自miragenews
碳化硅 (SiC) 單極半導體具有廣泛的商業用途，但它們的操作受到擊穿電壓和漂移層比電阻或比導通電阻之間的權衡關系的限制。包括超結結構，即在漂移層的溝槽中排列 n 和 p 層，或在器件中實現雙極操作，提供了一種克服這種單極限制的方法。雙極操作通過在漂移層中引起電導調制而導致導通電阻的大幅降低。但雙極操作并非沒有缺點。雙極器件中的傳導和開關損耗需要仔細平衡。
半導體中的 P 型接觸層通常通過鋁 (Al) 摻雜形成。鋁摻雜可以通過兩種方式實現——外延或離子注入。外延生長涉及在襯底上逐層沉積半導體材料，而離子注入需要用高能帶電粒子轟擊半導體層。但是離子注入會導致在半導體層深處形成缺陷，這可能對電導率調制產生關鍵影響。
在最近發表在 Physica Status Solidi (b ) 上的一項研究中，來自日本的研究人員調查了由 Al 摻雜形成的 SiC 雙極二極管中缺陷的深度分布。“我們的研究結果將有助于 SiC 功率器件的優化設計，該器件很快將用于電動汽車、火車等。這些結果最終將有助于提高車輛和火車牽引系統的性能、尺寸和能耗，”領導這項研究的名古屋工業大學副教授 Masashi Kato 博士說。
為了研究缺陷的深度分布，研究小組制造了兩個帶有 Al 摻雜 p 層的 SiC PiN 二極管，一個通過外延生長，另一個通過離子注入。
展開 研發 | 基于SiC的量子器件獲重大突破！
近年來，為了利用更成熟的材料加工技術和器件集成工藝，學界開始關注其他半導體材料中的相似色心。其中，碳化硅中的自旋色心，包括硅空位色心（缺失一個硅原子）和雙空位色心（缺失一個硅原子和一個近鄰碳原子），因其優異的光學和自旋性質引發學界廣泛。室溫下單個硅空位色心的相干操控雖已實現，但其自旋讀出對比度只有2%，而且天然塊狀碳化硅材料中單個硅空位色心的單光子發光亮度每秒僅有10 k個計數，如此低的自旋讀出對比度和單光子發光亮度限制了其在室溫下的實際應用。然而，室溫下單個雙空位色心的相干操控還未見報道。
李傳鋒、許金時研究組利用此前發展的離子注入制備碳化硅缺陷色心的技術，制備出雙空位色心陣列。進一步利用光探測磁共振技術在室溫下實現了單個雙空位色心的自旋相干操控，并發現其中一類雙空位色心（稱為PL6）的自旋讀出對比度為30%，而且單光子發光亮度每秒可達150 k個計數。這兩項重要指標相比碳化硅中硅空位色心均提升了一個數量級，第一次展現出碳化硅自旋色心在室溫下具有與金剛石NV色心相媲美的優良性質，并且單色心電子自旋在室溫下的相干時間長達23微秒。此外，研究團隊還實現了碳化硅色心中單個電子自旋與近鄰核自旋的耦合與探測，為下一步構建基于碳化硅自旋色心體系的室溫固態量子存儲與可擴展的固態量子網絡奠定了基礎。
由于高讀出對比度和高單光子發光亮度在量子信息的一些應用中具有重要意義，該研究成果為基于碳化硅的量子器件開辟了一個新的發展方向。審稿人對該研究成果給予了高度評價。
展開 關注 | SiC器件如何改變半導體行業的面貌
使用 SiC JFET 的電子負載等電路中的線性操作也得到改善；與 Si-MOSFET 相比，SiC 部件不會受到單元結構內電流擁擠的影響，因為單個單元柵極閾值電壓對溫度不敏感。另一方面，Si-MOSFET 對 VGTH 具有很強的負溫度系數，這會導致局部熱點和熱失控。
封裝也將發展
SiC FET 已經在更高的功率和更高的開關頻率下開辟了新的應用——這僅僅是幾年前的一個開始。與硅器件開發的長期記錄相比，碳化硅只是漫長道路的開始，令人興奮的性能里程碑已經在望。
隨著 SiC FET 的潛在應用范圍擴大，封裝選項也將擴大。三引線和四引線形式的 TO-247 封裝目前可直接替代許多當前的 IGBT 和 Si-MOSFET，但也可提供 TO220-3L 器件。在表面貼裝樣式中，D2PAK-3L 和 -7L 很受歡迎，UnitedSiC 的薄型 DFN8x8 憑借其低封裝電感適合非常高頻的操作。更多的 SMD 選項將可用，并且銀燒結將越來越多地用于芯片連接以提高熱性能。使用 SiC FET 芯片的模塊將在額定電壓為 6000V 或更高的版本中變得普遍，使用堆疊的“超級共源共柵”排列。這些將在 MV-XFC 快速充電器、牽引、可再生能源發電、固態變壓器和高壓直流 (HVDC) 中找到應用。
展開 從IGBT到SiC，特斯拉汽車功率器件的變遷
筆者推測Cybertruck和第二代Roadster還將沿用TPAK模塊，只是在內部選擇新一代，性能更好的SiC芯片。期待特斯拉今年公布更多關于這兩款車型的消息。
小結：本文回顧了特斯拉歷代車型動力總成中逆變器部分所用到的核心功率器件，由此簡要講述逆變器部分的設計，對行業人士以及電動汽車愛好者有些許參考意義。
特此鳴謝過去一起合作過的特斯拉工程師們。
筆者積累的，未被收回的特斯拉訪客掛牌。
參考資料：
部分資料來自YouTube創作者（見圖片來源），詳細資料可以進一步參考各位創作者的網站獲取更多信息。
Munrolive.com
System Plus Consulting
展開 SiC功率器件的特性與系統設計應用
來源：松哥電源
SiC器件開關動態測試挑戰及應對方法
來源：碳化硅芯觀察
第三代半導體器件毫不夸張的講為電力電子行業帶來了革新，基于其高速，小體積，低功耗越來越廣泛應用在汽車、工業級消費電子行業。
我們先來看看不同技術的功率器件的區別，下圖可以看到傳統的Si基的IGBT或者MOSFET管要么分布在高壓低速的區間，要么分布在低壓高速的區間，市面上傳統的探測技術可以覆蓋器件特性的測試需求。但是第三代半導體器件SiC 或GaN的技術趨于成熟，因為其高速，高耐壓，抗高溫，體積小，低功耗被越來越多的應用在電源轉換產品上，從性能區別于傳統Si基的功率器件卻大大擴展了分布的區間，覆蓋以往沒有出現過的高壓高速區域，這就對器件的測試提出非常嚴苛的挑戰。
展開 SiC器件上車第一個優質落腳點—車載電源
為什么說車載電源是SiC上車的第一個落腳點？
電動車在動力性能、智能化方面超越燃油車，但電動車在續航里程方面仍面臨著補能焦慮的問題，傳統燃油車加一次油時間為5分鐘，而目前快充至少要60分鐘。在高峰期充電排隊等候的時間亦進一步拉長。
目前車企解決補能速度的兩條路線分別是換電和快充，換電目前還面臨盈利模式、標準統一等挑戰；更多車企選擇了快充路線，一方面快充與CTC趨勢一致，另一方面技術升級路徑清晰。800V高壓平臺方案應運而生。
動力電池電壓平臺升級到800V ，當前的OBC 、 DC/DC 及 PDU 等電源產品都需要從400V等級提升至符合 800V 電壓平臺的應用， SiC 器件由于其優異的特性也將開始大規模的應用。
OBC 相關的車型、電池尺寸、從 0% 至 100% 的充電時間和競爭性技術的比較
除此之外，直流快充樁原本輸出電壓等級為400V，可直接給動力電池充電， 但動力電池為800V 后其電壓不再能夠繼續充電，因此需要一個額外的升壓產品使400V電壓能夠上升到 800V ，進而給動力電池進行直流快充。在此技術方案下，這個器件需要能夠滿足大功率充電的功率，因此其價值量相比傳統DC/DC 要更大，而電源企業也將充分受益于此升壓 DC/DC 產品的配置。高電壓對功率器件提出更高要求，碳化硅將借助耐高壓、耐高溫、開關損耗低等優勢在功率器件領域進行廣泛應用。
展開 國聯萬眾碳化硅（SiC）電力電子器件產品手冊
公司定位為第三代半導體材料及應用聯合創新基地的建設、運營管理、服務；集成電路、半導體分立器件、光電子器件、通信系統設備、通信終端設備、電力電子元器件制造、銷售；研發創新、科技服務平臺搭建；科技成果轉化、產業孵化、產業基金、產業投資。公司致力于推動第三代半導體產業鏈和創新鏈構建，促進產學研用合作以及跨界應用的開放協同創新，推動產業生態體系的建設。
聯系方式：
張利民 13001895445
姬鵬飛 18603230385
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國聯萬眾碳化硅（SiC）電力電子器件產品手冊
公司定位為第三代半導體材料及應用聯合創新基地的建設、運營管理、服務；集成電路、半導體分立器件、光電子器件、通信系統設備、通信終端設備、電力電子元器件制造、銷售；研發創新、科技服務平臺搭建；科技成果轉化、產業孵化、產業基金、產業投資。公司致力于推動第三代半導體產業鏈和創新鏈構建，促進產學研用合作以及跨界應用的開放協同創新，推動產業生態體系的建設。
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