SiC下，電源半導(dǎo)體如何應(yīng)對(duì)能源問(wèn)題
以SiC和GaN為代表的第三代半導(dǎo)體材料是全球戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)新的制高點(diǎn)。美、日、歐等各國(guó)積極進(jìn)行戰(zhàn)略部署，第三代半導(dǎo)體材料引發(fā)全球矚目，并成為半導(dǎo)體技術(shù)研究前沿和產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)。
作為電力電子器件，SiC器件在低壓領(lǐng)域如高端的白色家電、電動(dòng)汽車(chē)等由于成本因素，逐漸失去了競(jìng)爭(zhēng)力。但在高壓領(lǐng)域，如高速列車(chē)、風(fēng)力發(fā)電以及智能電網(wǎng)等，SiC具有不可替代性的優(yōu)勢(shì)。
第三代半導(dǎo)體材料
近年來(lái)，第三代半導(dǎo)體材料正憑借其優(yōu)越的性能和巨大的市場(chǎng)前景，成為全球半導(dǎo)體市場(chǎng)爭(zhēng)奪的焦點(diǎn)。
所謂第三代半導(dǎo)體材料，主要包括SiC、GaN、金剛石等，因其禁帶寬度(Eg)大于或等于2.3電子伏特(eV)，又被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料。
當(dāng)前，電子器件的使用條件越來(lái)越惡劣，要適應(yīng)高頻、大功率、耐高溫、抗輻照等特殊環(huán)境。為了滿足未來(lái)電子器件需求，必須采用新的材料，以便最大限度地提高電子元器件的內(nèi)在性能。
SiC的電力電子器件市場(chǎng)在2016年正式形成，市場(chǎng)規(guī)模約在2.1億—2.4億美金之間。
而據(jù)Yole最新預(yù)測(cè)，SiC市場(chǎng)規(guī)模在2021年將上漲到5.5億美金。目前全球有超過(guò)30家公司在電力電子領(lǐng)域擁有SiC、GaN相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、制造和銷(xiāo)售能力。
正如 20 世紀(jì) 80 年代革命性的 IGBT 技術(shù)，如今的寬帶半導(dǎo)體碳化硅(SiC)也越來(lái)越顯示出再次革新電力電子世界的希望。
以SiC為例對(duì)比前兩代半導(dǎo)體材料， ROHM半導(dǎo)體(上海)有限公司表示，SiC與Si相比，絕緣擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高約10倍，可達(dá)幾千伏特的高耐壓。另外Si在高耐壓化時(shí)導(dǎo)通電阻變大，為了改善這一現(xiàn)象，主要使用Si-IGBT，但存在開(kāi)關(guān)損耗大的問(wèn)題，而SiC單位面積的導(dǎo)通電阻非常低，可降低功率損耗，同時(shí)具有優(yōu)異的高速開(kāi)關(guān)性能。
SiC在能源方面的優(yōu)勢(shì)
從目前寬禁帶半導(dǎo)體材料和器件的研究情況來(lái)看，研究重點(diǎn)多集中于碳化硅(SiC) 和氮化鎵(GaN)技術(shù)，其中SiC 技術(shù)最為成熟，研究進(jìn)展也較快。
相對(duì)于硅，碳化硅的優(yōu)點(diǎn)很多：有10倍的電場(chǎng)強(qiáng)度，高3倍的熱導(dǎo)率，寬3倍禁帶寬度，高1倍的飽和漂移速度。因?yàn)檫@些特點(diǎn)，用碳化硅制作的器件可以用于極端的環(huán)境條件下。微波及高頻和短波長(zhǎng)器件是目前已經(jīng)成熟的應(yīng)用市場(chǎng)。42GHz頻率的SiC MESFET用在軍用相控陣?yán)走_(dá)、通信廣播系統(tǒng)中，用碳化硅作為襯底的高亮度藍(lán)光LED是全彩色大面積顯示屏的關(guān)鍵器件。
而在應(yīng)用領(lǐng)域，碳化硅有以下優(yōu)點(diǎn)：
1.SiC材料應(yīng)用在高鐵領(lǐng)域，可節(jié)能20%以上，并減小電力系統(tǒng)體積;
2.SiC材料應(yīng)用在新能源汽車(chē)領(lǐng)域，可降低能耗20%;
3.SiC材料應(yīng)用在家電領(lǐng)域，可節(jié)能50%;
4.SiC材料應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，可提高效率20%;
5.SiC材料應(yīng)用在太陽(yáng)能領(lǐng)域，可降低光電轉(zhuǎn)換損失25%以上;
6.SiC材料應(yīng)用在工業(yè)電機(jī)領(lǐng)域，可節(jié)能30%-50%;
7.SiC材料應(yīng)用在超高壓直流輸送電和智能電網(wǎng)領(lǐng)域，可使電力損失降低60%，同時(shí)供電效率提高40%以上;
8.SiC材料應(yīng)用在大數(shù)據(jù)領(lǐng)域，可幫助數(shù)據(jù)中心能耗大幅降低;
9.SiC材料應(yīng)用在通信領(lǐng)域，可顯著提高信號(hào)的傳輸效率和傳輸安全及穩(wěn)定性;
10.SiC材料可使航空航天領(lǐng)域，可使設(shè)備的損耗減小30%-50%，工作頻率提高3倍，電感電容體積縮小3倍，散熱器重量大幅降低。
半導(dǎo)體廠商如何應(yīng)對(duì)SiC趨勢(shì)
目前全球40%能量作為電能被消耗，而電能轉(zhuǎn)換最大耗散是半導(dǎo)體功率器件。曾經(jīng)的“中流砥柱”Si功率器件已日趨其發(fā)展的材料極限，難以滿足當(dāng)今社會(huì)發(fā)展對(duì)于高頻、高溫、高功率、高能效、耐惡劣環(huán)境以及輕便小型化的新需求。以SiC為代表的第三代半導(dǎo)體材料憑借其優(yōu)異屬性，將成為突破口，正在迅速崛起。
為此，多家半導(dǎo)體廠商都開(kāi)始從事SiC方面的相關(guān)研究，并推出了相應(yīng)的產(chǎn)品。
以羅姆為例，2012年3月，羅姆成為世界首家開(kāi)始量產(chǎn)內(nèi)置的功率半導(dǎo)體元件全部由碳化硅組成的全SiC功率模塊。
其后，相繼開(kāi)發(fā)出直到1200V、300A額定電流的系列產(chǎn)品，在眾多領(lǐng)域中被廣為采用。在IGBT模塊市場(chǎng)，羅姆擁有覆蓋主要額定電流范圍100A到600A的全SiC模塊產(chǎn)品陣容。
2015年，羅姆又成為世界首家開(kāi)發(fā)出采用溝槽結(jié)構(gòu)的SiC-MOSFET，并建立了完備的量產(chǎn)體制。據(jù)了解，同一芯片尺寸的導(dǎo)通電阻可降低50%，這將大幅降低太陽(yáng)能發(fā)電用功率調(diào)節(jié)器和工業(yè)設(shè)備用電源、工業(yè)用逆變器等所有相關(guān)設(shè)備的功率損耗。
溝槽結(jié)構(gòu)因在SiC-MOSFET中采用可有效降低導(dǎo)通電阻而備受關(guān)注，但為了確保元器件的長(zhǎng)期可靠性，需要設(shè)計(jì)能夠緩和Gate Trench部分產(chǎn)生的電場(chǎng)的結(jié)構(gòu)。
羅姆通過(guò)采用獨(dú)創(chuàng)的結(jié)構(gòu)，成功地解決了該課題，并世界首家實(shí)現(xiàn)了采用溝槽結(jié)構(gòu)的SiC-MOSFET的量產(chǎn)。
總結(jié)
縱觀全球功率器件市場(chǎng)，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。全球SiC產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)美國(guó)、歐洲、日本三足鼎立態(tài)勢(shì)。
未來(lái)，由半導(dǎo)體SiC材料制作成的功率器件將支撐起當(dāng)今節(jié)能技術(shù)的發(fā)展趨向，成為節(jié)能設(shè)備最核心的部件，因此半導(dǎo)體SiC功率器件也被業(yè)界譽(yù)為功率變流裝置的“CPU”、綠色經(jīng)濟(jì)的“核芯”。
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