碳化硅（SiC）材料擁有更大的禁帶寬度，更高的臨界擊穿場強和熱導(dǎo)率等優(yōu)異的材料特性，使得碳化硅電力電子器件具有更高的阻斷電壓，更大的輸出功率、更高工作頻率及更高得工作溫度等性能優(yōu)勢，可以大幅減小設(shè)備體積與重量，降低損耗。

 

近日，2021功率半導(dǎo)體與車用LED技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用論壇在上海舉行。本屆論壇由半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)網(wǎng)和勵展博覽集團(tuán)共同主辦，并得到第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟、國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的指導(dǎo)。

會上，中電南方國基集團(tuán)有限公司高級工程師李士顏帶來了“功率碳化硅 MOSFET芯片及模塊研究進(jìn)展及應(yīng)用”的主題報告，分享了功率SiC器件的市場機遇、國際現(xiàn)狀，芯片及模塊研究進(jìn)展，主要應(yīng)用挑戰(zhàn)與未來展望。

 

功率SiC具有高禁帶寬度、擊穿場強、熱導(dǎo)率、電子漂移速度等材料特性，器件具有高擊穿電壓、開關(guān)頻率、工作溫度、功率密度等優(yōu)勢，其轉(zhuǎn)換效率、尺寸重量、系統(tǒng)工作頻率等系統(tǒng)功能在提升。

 

功率SiC在新能源汽車應(yīng)用涉及充電樁、車載充電器，電機控制器等，具有體積減小，重量降低，工作頻率提高，逆變器效率提升等應(yīng)用優(yōu)勢，未來在提高續(xù)航能力、提升空間利用率，降低系統(tǒng)成本等方面有市場前景。目前，蘇州3號線軌道交通，采用全SiC驅(qū)動模塊，即將正式運營。日本和德國高鐵公司將SiC驅(qū)動作為全球 “逐鹿”的關(guān)鍵技術(shù)。Yole預(yù)測，到2025年鐵路SiC營收將增長到1.18億美元，年復(fù)合增長率達(dá)到55%。

 

功率SiC技術(shù)成熟度快速提升，SiC SBD和SiC MOSFET已商品化 ，超越“概念驗證”階段。

在電源、光伏領(lǐng)域的應(yīng)用規(guī)模進(jìn)一步擴大，處于快速增長期，可靠性及成本達(dá)到EV、軌道交通等應(yīng)用要求，逐步進(jìn)入成熟期。

 

產(chǎn)業(yè)初具規(guī)模，2019年產(chǎn)品銷售超過5億美元，高端應(yīng)用正逐步替代硅器件。市場規(guī)?？焖僭鲩L，年增長率~30%，2027年超過100億美元。生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，國際已6英寸平臺為主，并向8英寸產(chǎn)線升級。

 

功率SiC器件的國際現(xiàn)狀來看，平面型SiC MOSFET、溝槽型SiC MOSFET等方面都有進(jìn)展，其中，SiC肖特基二極管產(chǎn)品系列化，SiC MOSFET成熟度提升迅速，國際上10余家公司量產(chǎn)SiC MOSFET系列產(chǎn)品，擊穿電壓650- 1700V，單芯片導(dǎo)通電流最高達(dá)100A以上。

 

國內(nèi)SiC芯片及模塊研究方面，SiC外延材料自主保障、功率SiC器件生產(chǎn)線方面，寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件國家重點實驗室凈化面積4000m2，供貨能力超過3萬片/年，650V-1700V SiC二極管和MOSFET量產(chǎn)，3300V-15kV SiC器件技術(shù)平臺。新型功率模塊生產(chǎn)線方面，2014年55所成立國揚電子公司，專業(yè)從事以SiC為代表的新型半導(dǎo)體功率模塊的研制和批產(chǎn)。產(chǎn)品包括IGBT模塊、SiC混合功率模塊、SiC MOSFET功率模塊等，年產(chǎn)各類功率模塊150萬塊。

 

報告還分享了中低壓SiC MOSFET芯片量產(chǎn)攻關(guān)、車用1200V/600A SiC功率模塊、車用1200V/600A SiC功率模塊、6.5kV SiC DMOSFET、6.5 kV器件閾值電壓穩(wěn)定性、6.5kV400A SiC MOSFET模塊、6.5kV 模塊開通損耗優(yōu)化、10kV SiC MOSFET芯片研制、10kV100A SiC MOSFET模塊等技術(shù)進(jìn)展。

 

李士顏表示，當(dāng)前功率SiC器件應(yīng)用，存在著SiC MOSFET器件應(yīng)用成本挑戰(zhàn)、單芯片電流限制，多芯片并聯(lián)挑戰(zhàn)等。展望未來國際上SiC功率器件市場化應(yīng)用速度提升，在電動汽車、電源、軌道交通等領(lǐng)域的應(yīng)用將進(jìn)入爆發(fā)期，市場產(chǎn)值將急劇擴張，國內(nèi)SiC功率器件迅速布局，技術(shù)進(jìn)步迅速，自主芯片國產(chǎn)替代前景廣闊。大尺寸SiC襯底、SiCMOSFET技術(shù)成熟度仍需提高，SiCMOSFET器件應(yīng)用技術(shù)提升是SiC市場的重要牽引。