即将普及的碳化硅器件

作者：国务院发展研究中心 吴康迪   时间：2009-10-10  

　　随绿色经济的兴起，节能降耗已成潮流。在现代化生活中，人们已离不开电能。为解决“地球变暖”问题，电能消耗约占人类总耗能的七成，提高电力利用效率被提至重要地位。

　　据统计，60%至70%的电能是在低能耗系统中使用的，而其中绝大多数是消耗于电力变换和电力驱动。在提高电力利用效率中起关键作用的是功率器件，也称电力电子器件。如何降低功率器件的能耗已成为全球性的重要课题。

　　在这种情况下，性能远优于普遍使用的硅器件的碳化硅(SiC)器件受到人们青睐。SiC器件耐高温(工作温度和环境温度)、抗辐射、具有较高的击穿电压和工作频率，适于在恶劣条件下工作。特别是与传统的硅器件相比，目前已实用的SiC器件可将功耗降低一半。由此将减少设备的发热量，从而可大幅度降低电力变换器的体积和重量。其缺点是制备工艺难度大，器件成品率低，因而价格较高，影响了其普通应用。

　　随着技术进步，近年来SiC衬底的直径做的越来越大，器件质量越来越高，生产SiC 产品的厂商越来越多，从而使制约SiC发展的SiC衬底供应情况大为改观。特别是由于SiC二极管厂商的增加和SiC产量的增长，使SiC器件的价格不断下降。与此同时，SiC二极管的容量不断增大和SiC晶体管的实际应用，带动了SiC器件性能的不断改善。SiC器件己从高价时代的航天、航空、雷达、核能开发等领域，扩展至石油和地热钻井勘探、变频空调、平板电视、混合动力汽车和电动汽车以及太阳能光电变换等民用领域。汽车制造厂、空调公司和阳光发电部门以及众多电源厂商，对SiC器件的应用寄与厚望，人们已将其称做节电降耗的关健器件。

　　SiC器件开发现况

　　2009年SiC MOSFET晶体管已经可以量产，输出为100A的SiC二极管大批量问世。

　　目前，SiC器件已被用于混合动力汽车和电动汽车设备中。2008年9月日本丰田公司开发出了SiC二极管逆变器，应用于X-TRAIL FCV型汽车进行道路行驶实验。同月，本田汽车公司已用SiC器件制出了电源模块。2009年日本开发的SiC变频空调在市场上销售。日本大阪的关西电力公司，开发出SiC逆变器，用于阳光发电。欧洲意法半导体公司用于电源的SiC二极管目前已大批量市售。德国英飞凌公司批量生产体积小的SiC二极管和SiC型MOS场效应晶体管，2009年3月推出了第三代薄型 SiC肖特基二极管。据日本三菱公司的试验表明，电力变换器中使用的硅基耐压600V快速恢复二极管和IGBT。如果用SiC SBD(肖特基势垒二极管)和MOSFET管代替，功耗可降50%，甚至70%。SiC的工作环境可稳定地提高至300℃，而硅不超过200℃。因此可减少散热器或不用散热器。此外，SiC器件可在高频下工作，在100KHz下使用的SiC器件已问世。

　　2008年日本罗姆公司开发出了300A，耐压660V的10毫米见方的SiC二极管样品。传统产品因成品率低，只有几毫米见方的。一般情况下要扩大电流量就要增大芯片面积，然而芯片面积大则由于衬底质量的限制，成品率会降低。

　　2009年2月美国Cree公司与Powerex公司开发出了双开关1200伏、100安培的SiC功率模块。其由耐高压和大电流的SiC的MOS场效应晶体管和SiC肖特基二极管组成。

　　日产汽车开发出了5毫米见方的SiC和硅的异构结二极管，电流容量可超过100A。在罗姆公司协作下，日产汽车还开发出1~2毫米见方的SiC二极管，电流容量也能达到100A。

　　美国Cree公司和日本罗姆公司在业界领先生产SiC的MOS场效应晶体管。SiC功率晶体管分3类：MOSFET、结型场效应及IGBT那样的双极型器件。前两者为单极型器件。SiC晶体管的结构比SiC二极管复杂、因此成品率低、价格贵、影响其普及。然而对于耐压1200伏的应用，SiC晶体管对于硅基晶体管的成本优势己很明显。

　　专家指出，对于耗电大户的信息业的数据中心，目前采用SiC器件在一年内可收回投资。

　　目前影响SiC晶体管量产的两个因素是其动态电阻稍大和氧化层的可靠性。前者是由于SiC晶体管沟道移动性低，后者则可影响到晶体管的可靠性。

　　SiC衬底市场

　　SiC器件的基础材料是SiC衬底。决定SiC器件能否普及的是器件价格。影响价格的是器件成品率。而器件成品率受到衬底质量的制约。2009年世界最大的SiC衬底厂商美国Cree公司，已可批量生产高质量6英寸SiC衬底。2008年起，Cree公司已可量产无中空贯穿缺陷(微管)的SiC衬底。从2008年5月开始，其微管基本为零的4英寸衬底能批量供应。日本新日本制铁2008年也生产出同样基本无微管缺陷的4英寸衬底。

　　在SiC衬底市场方面，美国Cree公司垄断了优质SiC衬底的供应。2007年起，该公司在市场上供应2至3英寸基本上无微管的衬底。2008年其位错为每平方厘米5千个。2009年将提供6英寸基本上无微管的衬底。其次是德国SiCrystal公司和日本新日铁公司。SiCrystal2008年可提供基本上无微管的3英寸SiC衬底，其位错为每平方厘米2千个;新日铁目前拥有每平方厘米1个微管的3英寸SiC衬底，其位错为每平方厘米5千个至2万个，2009年稍晚些可推出4英寸SiC衬底。第3梯队产品质量一般，有日本东纤-道康宁合资公司和中国天科合达蓝光半导体公司。天科合达蓝光公司在出售2英寸SiC衬底基础上，2008年第3季度又推出了3英寸SiC衬底，其每平方厘米微管数量在50个以下。据Yolu发展公司的统计和预测，2005年至2009年SiC器件市场的年增长率为27%，2010年至2015年的年增长率为60%至70%。

　　有关专家指出，我国天科合达蓝光公司进入SiC衬底市场影响巨大。其将迅速降低国际市场上SiC衬底的售价，从而推动SiC器件的更快普及。我国有关部门应进行支持，促进SiC器件在国内的应用，而不要使其只为国外厂商，特别是日本厂商，做廉价原料的供应商。