SiC MOS
關注創建者：匿名 創建時間：2022-03-08
SiC MOS的實例教程
前幾天，TRinno計劃投資4.7億在韓國建碳化硅項目；而昨天，恒諾微電子（HANA）宣布其6寸線正式量產1200V SiC MOSFET，還獲得了中國、韓國、日本汽車等企業訂單。
Power Master：
6寸線量產1200V SiC MOS
3月30日，韓國
Power Master S
emiconductor
宣布
，
推出
韓國境內首
顆
1200V SiC MOSFET
；更重要的是，該產品將在其清州
6英寸碳化硅生產線
上
量產
。
Power Master Semiconductor 將 1200V SiC MOSFET 商業化
P
MS表示，此次推出的SiC MOSFET產品是
工業應用
版本，例如太陽能
逆變器
、電動汽車
充電器
和
不間斷電源
設備
等；
下半年，他們還將發布專門針對
電動汽車驅動逆變器
的版本。
據悉，PMS是由泰企恒諾微電子（HANA）2018年
全資
成立的韓國公司，由HANA
1
00%控股，
目前已建成韓國
唯一
的硅8英寸和
碳化硅6英寸
功率半導體晶圓廠，2021年在韓國首次發布了
碳化硅MPS二極管
。
據悉，2021年10月，HANA宣布，它將以PMS公司的名義在韓國再建一家工廠，投資預算約為 20 億泰銖（
約3.8億人民幣
），預計2022年底完工，其碳化硅產品預計于
2023 年初
量產。
展開 通過以上器件開關曲線我們可以得到兩個主要信息：① SiC MOS開關暫態上升時間tr、下降時間tf主要是指電流，為什么沒有給出電壓的上升和下降時間，老耿也不太清楚，有可能是因為兩者都是一個數量級，畢竟這個參數意義也不大，主要用來形容器件速度有多快，有其它見解的小伙伴可以告訴我；② SiC MOS開關暫態電壓、電流變化率的選取時間是電流和電壓幅值的40%-60%，這個相對好理解，主要是因為器件開關暫態是非線性的，選擇變化率最大的一段最能說明問題。
dv/dt，di/dt量化分析
03
了解了SiC MOS的開關暫態參數定義后，讓我們看看SiC MOS的dv/dt和di/dt到底有多大？下面以Cree公司的1200V 300A 模塊為例進行介紹，器件型號為CAS300M12BM2，模塊實物圖和內部電路如下圖：
下圖為25℃的室溫下，SiC MOS在600V母線電壓和300A電流下dv/dt、di/dt與柵極電阻的關系曲線，可以看出隨著器件柵極電阻的增大，其開關暫態的di/dt和dv/dt都會減小，這個也比較好理解，柵極電阻增大，器件的開關速度就會減小。
這里有個知識點需要大家記住，MOS器件門極是直接可以控制電流變化率的，而對于IGBT 門極電阻對關斷電流變化率的影響卻很有限。
展開 ◆ 空間&增速：SIC 器件未來 5-10 年復合 40%增長
IHS預計未來5-10年SIC器件復合增速40%：根據IHSMarkit數據，2018年碳化硅功率器件市場規模約3.9億美元，受新能源汽車龐大需求的驅動，以及光伏風電和充電樁等領域對于效率和功耗要求提升，預計到2027年碳化硅功率器件的市場規模將超過100億美元，18-27年9年的復合增速接近40%。
滲透率角度測算 SIC MOS 器件市場空間：（SIC MOS 只是 SIC 器件的一種） SIC MOS 器件的下游和 IGBT 重合度較大，因此，驅動 IGBT 行業空間高成長驅動因素如車載、充電樁、工控、光伏風電以及家電市場，也都是 SIC MOS 功率器件將來要涉足的領域；根據我們之前系列行業報告的大致測算，2019 年 IGBT 全球 58 億美金，中國22億美金空間，在車載和充電樁和工控光伏風電等的帶動下，預計 2025 年 IGBT 全球 120 億美金，中國 60 億美金。
SIC MOS器件的滲透率取決于其成本下降和產業鏈成熟的速度，根據英飛凌和國內相關公司調研和產業里的專家的判斷來看，SIC MOS滲透IGBT的拐點可能在2024年附近。
預計2025年全球滲透率25%，則全球有30億美金SIC MOS器件市場，中國按照20%滲透率2025年則有12億美金的SIC MOS空間。
展開 SiC MOS，去年Q4開始爆發，一方面成本下降，一方面MOS和IGBT缺貨，現在兩者價差縮小，客戶愿意花大價錢去買SiC MOS，尤其是車規級，未來在能效要求高的行業（服務器、儲能、光伏等），預計能看到需求的提升，現在還受制于產能，短期還是汽車為主。
而且，日立還指出了其他企業溝槽結構的弱點，“通過仿真研究了其他公司的溝槽型SiC MOS結構，我們發現，如果在允許的范圍內，他們結構在生產上沒有問題，他們的SiC MOS晶體管可以在某些條件下提供性能，但是設計裕度非常窄。”
為了解決這些問題，日立搞出了溝槽蝕刻雙擴散MOS（TED-MOS）結構。
首先，TED-MOS采用新型鰭結構和專有的Hitachi結構（如下圖），該結構在鰭片的側壁上提供電流路徑，從而可以用較小的溝槽間距來減小電阻，并且在3.3 kV的電壓下工作時，電場也較小，解決了電場集中在晶面上的溝槽邊緣的問題。
其次，日立還使用場松弛層（FRL）來降低電場強度，并使用電流擴散層（CSL）來降低n-JFET區域中的電阻，從而可以獲得不易破裂且電流容易流動的結構。
電裝和富士電機的溝槽專利竟然這么強？
據“三代半風向”的不完全統計，目前已經有6家企業量產了溝槽SiC MOSFET。
▲ 2015年，羅姆開始批量生產業界首個溝槽型SiC MOSFET，將導通電阻降低了40％。
▲ 2016年PCIM Asia期間，英飛凌推出1200 V溝槽SiC MOSFET——CoolSiC MOSFET，其導通電阻額定值為45 mΩ。
▲ 2016年，富士電機開發了溝槽結構SiC MOSFET，閾值電壓5 V，導通電阻3.5mΩcm2。
▲ 2018年12月，住友電工已經開發出SiC VMOSFET，實現了1170V/0.63mΩ?cm2的低導通態電阻。
▲ 2019年9月，三菱電機宣布開發出溝槽型SiC MOSFET，導通電阻1.84mΩcm2，擊穿電壓超過1500V。
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目前SBD國內已經量產，但至少相差一代；OBC方面，國內通過車企測試的只有一兩家；MOSFET方面，目前ST、英飛凌、Rohm等600-1700V SiC MOS已實現量產并達成簽單出貨，而國內目前SiC MOS設計已基本完成，多家設計廠商正與晶圓廠流片階段，后期客戶驗證仍需部分時間，在電流密度、減薄工藝、可靠性都亟需提升，因此距離大規模商業化仍需要時間。
圍繞SiC超結MOS器件“理論構建、仿真設計、超結制備、工藝整合”等方面，基于SiC MOSFET開展超結MOS器件制備技術創新，明確超結外延制備技術路線，為我國新能源汽車事業和“雙碳”戰略推進提供關鍵技術支撐。
結合英飛凌的研究數據，在 25°C結溫下，SiC-MOS 關 斷損耗大約是 Si-IGBT 的 20%;在 175°C的結溫下，SiC-MOS 關斷損耗僅為 Si- IGBT 的 10%。綜合來說，新能源車使用 SiC 器件能夠增加 5-10%續航里程。
3) 實現輕量化。
dv/dt，di/dt量化分析
03
了解了SiC MOS的開關暫態參數定義后，讓我們看看SiC MOS的dv/dt和di/dt到底有多大？
● 日立
2021年4月，日立發布了一款號稱“業界最節能”的TED-MOS溝槽結構的SiC MOSFET 。
● 西安交通大學
2021年12月，我國國產SiC MOSFET技術獲得新突破——溝道遷移率提升近200%。
Power Master：
6寸線量產1200V SiC MOS
3月30日，韓國
Power Master S
emiconductor
宣布
，
推出
韓國境內首
顆
1200V SiC MOSFET
；更重要的是，該產品將在其清州
6英寸碳化硅生產線
上
量產
。
提高柵極可靠性和降低 / 延緩退化是 Si 基器件和SiC 基 MOS 柵控器件的關鍵研究方向。目前，溝槽柵介質主要使用 SiO
2
，但是隨著蝕刻工藝和光刻技術的進步，通過多次氧化、蝕刻和光刻的復雜交替運用，可以將溝道氧化層部分做得較薄，而將其他位置氧化層做得較厚，這樣可以將柵極電容和電荷降低到較低的水平。
提高柵極可靠性和降低 / 延緩退化是 Si 基器件和SiC 基 MOS 柵控器件的關鍵研究方向。目前，溝槽柵介質主要使用 SiO2，但是隨著蝕刻工藝和光刻技術的進步，通過多次氧化、蝕刻和光刻的復雜交替運用，可以將溝道氧化層部分做得較薄，而將其他位置氧化層做得較厚，這樣可以將柵極電容和電荷降低到較低的水平。
SiC MOS，去年Q4開始爆發，一方面成本下降，一方面MOS和IGBT缺貨，現在兩者價差縮小，客戶愿意花大價錢去買SiC MOS，尤其是車規級，未來在能效要求高的行業（服務器、儲能、光伏等），預計能看到需求的提升，現在還受制于產能，短期還是汽車為主。
