即將普及的碳化硅器件

隨綠色經(jīng)濟(jì)的興起，節(jié)能降耗已成潮流。在現(xiàn)代化生活中，人們已離不開電能。為解決“地球變暖”問題，電能消耗約占人類總耗能的七成，提高電力利用效率被提至重要地位。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，60%至70%的電能是在低能耗系統(tǒng)中使用的，而其中絕大多數(shù)是消耗于電力變換和電力驅(qū)動(dòng)。在提高電力利用效率中起關(guān)鍵作用的是功率器件，也稱電力電子器件。如何降低功率器件的能耗已成為全球性的重要課題。

在這種情況下，性能遠(yuǎn)優(yōu)于普遍使用的硅器件的碳化硅(SiC)器件受到人們青睞。SiC器件耐高溫(工作溫度和環(huán)境溫度)、抗輻射、具有較高的擊穿電壓和工作頻率，適于在惡劣條件下工作。特別是與傳統(tǒng)的硅器件相比，目前已實(shí)用的SiC器件可將功耗降低一半。由此將減少設(shè)備的發(fā)熱量，從而可大幅度降低電力變換器的體積和重量。其缺點(diǎn)是制備工藝難度大，器件成品率低，因而價(jià)格較高，影響了其普通應(yīng)用。

隨著技術(shù)進(jìn)步，近年來SiC襯底的直徑做的越來越大，器件質(zhì)量越來越高，生產(chǎn)SiC 產(chǎn)品的廠商越來越多，從而使制約SiC發(fā)展的SiC襯底供應(yīng)情況大為改觀。特別是由于SiC二極管廠商的增加和SiC產(chǎn)量的增長(zhǎng)，使SiC器件的價(jià)格不斷下降。與此同時(shí)，SiC二極管的容量不斷增大和SiC晶體管的實(shí)際應(yīng)用，帶動(dòng)了SiC器件性能的不斷改善。SiC器件己從高價(jià)時(shí)代的航天、航空、雷達(dá)、核能開發(fā)等領(lǐng)域，擴(kuò)展至石油和地?zé)徙@井勘探、變頻空調(diào)、平板電視、混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車以及太陽能光電變換等民用領(lǐng)域。汽車制造廠、空調(diào)公司和陽光發(fā)電部門以及眾多電源廠商，對(duì)SiC器件的應(yīng)用寄與厚望，人們已將其稱做節(jié)電降耗的關(guān)健器件。

SiC器件開發(fā)現(xiàn)況

2009年SiC MOSFET晶體管已經(jīng)可以量產(chǎn)，輸出為100A的SiC二極管大批量問世。

目前，SiC器件已被用于混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車設(shè)備中。2008年9月日本豐田公司開發(fā)出了SiC二極管逆變器，應(yīng)用于X-TRAIL FCV型汽車進(jìn)行道路行駛實(shí)驗(yàn)。同月，本田汽車公司已用SiC器件制出了電源模塊。2009年日本開發(fā)的SiC變頻空調(diào)在市場(chǎng)上銷售。日本大阪的關(guān)西電力公司，開發(fā)出SiC逆變器，用于陽光發(fā)電。歐洲意法半導(dǎo)體公司用于電源的SiC二極管目前已大批量市售。德國(guó)英飛凌公司批量生產(chǎn)體積小的SiC二極管和SiC型MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管，2009年3月推出了第三代薄型 SiC肖特基二極管。據(jù)日本三菱公司的試驗(yàn)表明，電力變換器中使用的硅基耐壓600V快速恢復(fù)二極管和IGBT。如果用SiC SBD(肖特基勢(shì)壘二極管)和MOSFET管代替，功耗可降50%，甚至70%。SiC的工作環(huán)境可穩(wěn)定地提高至300℃，而硅不超過200℃。因此可減少散熱器或不用散熱器。此外，SiC器件可在高頻下工作，在100KHz下使用的SiC器件已問世。

2008年日本羅姆公司開發(fā)出了300A，耐壓660V的10毫米見方的SiC二極管樣品。傳統(tǒng)產(chǎn)品因成品率低，只有幾毫米見方的。一般情況下要擴(kuò)大電流量就要增大芯片面積，然而芯片面積大則由于襯底質(zhì)量的限制，成品率會(huì)降低。

2009年2月美國(guó)Cree公司與Powerex公司開發(fā)出了雙開關(guān)1200伏、100安培的SiC功率模塊。其由耐高壓和大電流的SiC的MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管和SiC肖特基二極管組成。

日產(chǎn)汽車開發(fā)出了5毫米見方的SiC和硅的異構(gòu)結(jié)二極管，電流容量可超過100A。在羅姆公司協(xié)作下，日產(chǎn)汽車還開發(fā)出1~2毫米見方的SiC二極管，電流容量也能達(dá)到100A。

美國(guó)Cree公司和日本羅姆公司在業(yè)界領(lǐng)先生產(chǎn)SiC的MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管。SiC功率晶體管分3類：MOSFET、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)及IGBT那樣的雙極型器件。前兩者為單極型器件。SiC晶體管的結(jié)構(gòu)比SiC二極管復(fù)雜、因此成品率低、價(jià)格貴、影響其普及。然而對(duì)于耐壓1200伏的應(yīng)用，SiC晶體管對(duì)于硅基晶體管的成本優(yōu)勢(shì)己很明顯。

專家指出，對(duì)于耗電大戶的信息業(yè)的數(shù)據(jù)中心，目前采用SiC器件在一年內(nèi)可收回投資。

目前影響SiC晶體管量產(chǎn)的兩個(gè)因素是其動(dòng)態(tài)電阻稍大和氧化層的可靠性。前者是由于SiC晶體管溝道移動(dòng)性低，后者則可影響到晶體管的可靠性。

SiC襯底市場(chǎng)

SiC器件的基礎(chǔ)材料是SiC襯底。決定SiC器件能否普及的是器件價(jià)格。影響價(jià)格的是器件成品率。而器件成品率受到襯底質(zhì)量的制約。2009年世界最大的SiC襯底廠商美國(guó)Cree公司，已可批量生產(chǎn)高質(zhì)量6英寸SiC襯底。2008年起，Cree公司已可量產(chǎn)無中空貫穿缺陷(微管)的SiC襯底。從2008年5月開始，其微管基本為零的4英寸襯底能批量供應(yīng)。日本新日本制鐵2008年也生產(chǎn)出同樣基本無微管缺陷的4英寸襯底。

在SiC襯底市場(chǎng)方面，美國(guó)Cree公司壟斷了優(yōu)質(zhì)SiC襯底的供應(yīng)。2007年起，該公司在市場(chǎng)上供應(yīng)2至3英寸基本上無微管的襯底。2008年其位錯(cuò)為每平方厘米5千個(gè)。2009年將提供6英寸基本上無微管的襯底。其次是德國(guó)SiCrystal公司和日本新日鐵公司。SiCrystal2008年可提供基本上無微管的3英寸SiC襯底，其位錯(cuò)為每平方厘米2千個(gè);新日鐵目前擁有每平方厘米1個(gè)微管的3英寸SiC襯底，其位錯(cuò)為每平方厘米5千個(gè)至2萬個(gè)，2009年稍晚些可推出4英寸SiC襯底。第3梯隊(duì)產(chǎn)品質(zhì)量一般，有日本東纖-道康寧合資公司和中國(guó)天科合達(dá)藍(lán)光半導(dǎo)體公司。天科合達(dá)藍(lán)光公司在出售2英寸SiC襯底基礎(chǔ)上，2008年第3季度又推出了3英寸SiC襯底，其每平方厘米微管數(shù)量在50個(gè)以下。據(jù)Yolu發(fā)展公司的統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)，2005年至2009年SiC器件市場(chǎng)的年增長(zhǎng)率為27%，2010年至2015年的年增長(zhǎng)率為60%至70%。

有關(guān)專家指出，我國(guó)天科合達(dá)藍(lán)光公司進(jìn)入SiC襯底市場(chǎng)影響巨大。其將迅速降低國(guó)際市場(chǎng)上SiC襯底的售價(jià)，從而推動(dòng)SiC器件的更快普及。我國(guó)有關(guān)部門應(yīng)進(jìn)行支持，促進(jìn)SiC器件在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用，而不要使其只為國(guó)外廠商，特別是日本廠商，做廉價(jià)原料的供應(yīng)商。