第三代半導體的技術(shù)價值、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和技術(shù)趨勢

日前，英飛凌工業(yè)功率控制事業(yè)部大中華區(qū)市場推廣總監(jiān)陳子穎先生和英飛凌科技電源與傳感事業(yè)部大中華區(qū)應用市場總監(jiān)程文濤先生在媒體采訪中就第三代半導體技術(shù)價值、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和技術(shù)趨勢進行了深入解讀。

進入后摩爾時代，一方面，人類社會追求以萬物互聯(lián)、人工智能、大數(shù)據(jù)、智慧城市、智能交通等技術(shù)提高生活質(zhì)量，發(fā)展的步伐正在加速。另一方面，通過低碳生活改善全球氣候狀況也越來越成為大家的共識。

目前全球能源需求的三分之一左右是用電需求，能源需求的日益增長，化石燃料資源的日漸耗竭，以及氣候變化等問題，要求我們?nèi)ふ腋腔?、更高效的能源生產(chǎn)、傳輸、配送、儲存和使用方式。

在整個能源轉(zhuǎn)換鏈中，第三代半導體技術(shù)的節(jié)能潛力可為實現(xiàn)長期的全球節(jié)能目標做出很大貢獻。除此之外，寬禁帶產(chǎn)品和解決方案有利于提高效率、提高密度、縮小尺寸、減輕重量、降低總成本，因此將在交通、數(shù)據(jù)中心、智能樓宇、家電、個人電子設(shè)備等等極為廣泛的應用場景中為能效提升做出貢獻。

例如在電力電子系統(tǒng)應用中，一直期待1200V以上耐壓的高速功率器件出現(xiàn)，這樣的器件當今非SiC MOSFET莫屬。而硅MOSFET主要應用在650V以下的中低功率領(lǐng)域。

除高速之外，碳化硅還具有高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率等特點，尤其適合對高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件要求較高的應用。

功率密度是器件技術(shù)價值的另一個重要方面。SiC MOSFET芯片面積比IGBT小很多，譬如100A/1200V的SiC MOSFET芯片大小大約是IGBT與續(xù)流二級管之和的五分之一。因此，在高功率密度和高速電機驅(qū)動應用中，SiC MOSFET的價值能夠得到很好的體現(xiàn)，其中包括650V SiC MOSFET。

在耐高壓方面，1200V以上高壓的SiC高速器件，可以通過提高系統(tǒng)的開關(guān)頻率來提高系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)功率密度。這里舉兩個例子：

· 電動汽車直流充電樁的功率單元，如果采用Si MOSFET，則需要兩級LLC串聯(lián)，電路復雜，而如果采用SiC MOSFET，單級LLC就可以實現(xiàn)，從而大大提高充電樁的功率單元單機功率。

· 三相系統(tǒng)中的反激式電源，1700V SiC MOSFET也是完美的解決方案，可以比1500V硅MOSFET損耗降低50%，提高效率2.5%。

在可靠性和質(zhì)量保證方面，SiC器件有平面柵和溝槽柵兩種類型，英飛凌的溝槽柵SiC MOSFET能很好地規(guī)避平面柵的柵極氧化層可靠性問題，同時功率密度也更高。

正是由于SiC MOSFET這些出色的性能，其在光伏逆變器、UPS、ESS、電動汽車充電、燃料電池、電機驅(qū)動和電動汽車等領(lǐng)域都有相應的應用。

然而，碳化硅是否會成為通吃一切應用的終極解決方案呢?

眾所周知，硅基功率半導體的代表——IGBT技術(shù)，在進一步提升性能方面遇到了一些困難。開關(guān)損耗與導通飽和壓降降低相互制約，降低損耗和提升效率的空間越來越小，于是業(yè)界開始希望SiC能夠成為顛覆性的技術(shù)。但是，這樣的看法這不是很全面。首先，以英飛凌為代表的硅基IGBT的技術(shù)也在進步，采用微溝槽技術(shù)的TRENCHSTOP?5，IGBT7是新的里程碑，伴隨著封裝技術(shù)的進步，IGBT器件的性能和功率密度越來越高。同時，針對不同的應用而開發(fā)的產(chǎn)品，可以做一些特別的優(yōu)化處理，從而提高硅器件在系統(tǒng)中的表現(xiàn)，進而提高系統(tǒng)性能和性價比。因此，第三代半導體的發(fā)展進程，必然是與硅器件相伴而行，在技術(shù)發(fā)展的同時，還有針對不同應用的大規(guī)模商業(yè)化價值因素的考量，期望第三代器件很快在所有應用場景中替代硅器件是不現(xiàn)實的。

產(chǎn)業(yè)化之路

英飛凌1992年開始研發(fā)SiC功率器件，1998年建立2英寸的生產(chǎn)線，2001年推出第一個SiC產(chǎn)品，今年正好20周年。20年來碳化硅技術(shù)在進步，2006年發(fā)布采用MPS技術(shù)的二極管，解決耐沖擊電流的痛點;2013年推出第五代薄晶圓技術(shù)二極管，2014年——2017年先后發(fā)布SiC JFET，第五代1200V二極管，6英寸技術(shù)和SiC溝槽柵MOSFET。

從英飛凌SiC器件的發(fā)展史，可以看出SiC技術(shù)的發(fā)展歷程和趨勢。我們深知平面柵的可靠性問題，在溝槽柵沒有開發(fā)完成之前，通過SiC JFET這一過渡產(chǎn)品，幫助客戶快速進入SiC應用領(lǐng)域。從技術(shù)發(fā)展趨勢來看，SiC MOSFET比IGBT更迫切地需要轉(zhuǎn)向溝槽柵，除了功率密度方面的考量之外，更注重可靠性問題。

在產(chǎn)業(yè)層面，當時間來到21世紀的第三個十年，整個第三代半導體產(chǎn)業(yè)格局相對于發(fā)展初期已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化。具體而言，碳化硅產(chǎn)業(yè)正在加速垂直整合，而氮化鎵產(chǎn)業(yè)形成了IDM以及設(shè)計公司和晶圓代工廠合作并存的模式。這些都顯示出，第三代半導體產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進入了大規(guī)模、高速發(fā)展的階段。

當然，與硅基器件行業(yè)相比，第三代半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展時間相對較短，在標準化、成熟度等方面還有很長的路要走，尤其是在品質(zhì)與長期可靠性方面，還有大量的研究和驗證工作要做。英飛凌在標準化、品質(zhì)管理和可靠性方面擁有豐富的經(jīng)驗和公認的優(yōu)勢，在第三代器件發(fā)展之初就開始持續(xù)投入大量的資源，對此進行深入的分析、研究和優(yōu)化，不斷推動第三代半導體行業(yè)的穩(wěn)健發(fā)展。為此，英飛凌發(fā)表了《碳化硅可靠性白皮書》，論述英飛凌如何控制和保證基于SiC的功率半導體器件的可靠性。

成果和趨勢

當前，第三代半導體在技術(shù)層面值得關(guān)注的領(lǐng)域很多。例如碳化硅晶圓的冷切割技術(shù)，器件溝道結(jié)構(gòu)優(yōu)化，氮化鎵門極結(jié)構(gòu)優(yōu)化，長期可靠性模型、成熟硅功率器件模塊及封裝技術(shù)的移植等等，都會對第三代半導體長期發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響。這幾個領(lǐng)域也正是英飛凌第三代半導體產(chǎn)品開發(fā)過程中所專注和擅長的領(lǐng)域。

具體而言，2018年英飛凌收購了位于德累斯頓的初創(chuàng)公司Siltectra。該公司的冷切割(Cold Split)創(chuàng)新技術(shù)可高效處理晶體材料，最大限度減少材料損耗。英飛凌利用這一冷切割技術(shù)切割碳化硅晶圓，可使單片晶圓產(chǎn)出的芯片數(shù)量翻倍，從而有效降低SiC成本。

在中低功率SiC器件方面，去年英飛凌在1200V系列基礎(chǔ)上，發(fā)布了TO-247封裝的650V CoolSiC? MOSFET，進一步完善了產(chǎn)品組合。目前貼片封裝的650V產(chǎn)品系列正在開發(fā)當中。在氮化鎵方面，今年五月我們推出了集成功率級產(chǎn)品CoolGaN? IPS系列，成為旗下眾多WBG功率元件組合的最新產(chǎn)品。IPS基本的產(chǎn)品組合包括半橋和單通道產(chǎn)品，目標市場為低功率至中功率的應用，例如充電器、適配器以及其他開關(guān)電源。代表產(chǎn)品600V CoolGaN?半橋式IPS IGI60F1414A1L，8x8 QFN-28封裝，可為系統(tǒng)提供極高的功率密度。此產(chǎn)品包含兩個140mΩ/600V增強型HEMT開關(guān)以及EiceDRIVER?系列中的氮化鎵專用隔離高低側(cè)驅(qū)動器。

在高壓方面，碳化硅產(chǎn)品會繼續(xù)朝著發(fā)揮其主要特性的方向發(fā)展，耐壓更高，2-3kV等級的產(chǎn)品會相繼面世。

同時，英飛凌會利用成熟的模塊技術(shù)、低寄生電感、低熱阻的封裝技術(shù)等，針對不同的應用開發(fā)相應產(chǎn)品。比如，低寄生電感封裝可以讓SiC器件更好發(fā)揮高速性能，低熱阻的封裝技術(shù)雖然成本略高，但可以有效提高器件電流輸出能力，從而實際上降低了單位功率密度的成本。