功率半導(dǎo)體的發(fā)展階段 碳化硅功率器件的三大優(yōu)勢(shì)

半導(dǎo)體（Semiconductor）是現(xiàn)代電子信息社會(huì)的物理基石，并已成為推動(dòng)各種革命性變革和創(chuàng)新的強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)力，這點(diǎn)已是當(dāng)前的社會(huì)共識(shí)。而功率器件正是半導(dǎo)體大產(chǎn)業(yè)的細(xì)分類別之一，在從電網(wǎng)、高鐵等高功率裝備、設(shè)備，到家電、數(shù)碼產(chǎn)品、手機(jī)等中低功率日常消費(fèi)電子產(chǎn)品中，功率器件都扮演著不可或缺的電能轉(zhuǎn)換、供給的角色。

功率器件也稱電子電力器件，是主要用于電氣工程、電力系統(tǒng)中，根據(jù)負(fù)載的要求處理電路中電力轉(zhuǎn)換的器件，從而使電氣設(shè)備得到最佳的電能供給和高效、安全、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。與普通的半導(dǎo)體器件一樣，目前功率器件所采用的主要材料仍然是硅，但由于硅基材料自身的物理屬性限制，在電力轉(zhuǎn)換領(lǐng)域以碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體材料制作的功率器件正逐漸嶄露頭角。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展始于功率器件，因此我們從半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷程講起。

目前在全部三代半導(dǎo)體材料中，雖然第一代半導(dǎo)體材料里鍺最先被研究且應(yīng)用，但由于其造價(jià)較高（比白銀稍貴），穩(wěn)定性較差，難以像硅基器件制作穩(wěn)定、致密的二氧化硅絕緣層，因此在實(shí)際中應(yīng)用極少，目前主要集中于半導(dǎo)體行業(yè)中部分光電子器件領(lǐng)域的發(fā)光二極管、太陽能電池；二代、三代半導(dǎo)體材料主要為化合物半導(dǎo)體，化合物半導(dǎo)體中，目前主流第二代半導(dǎo)體材料GaAs占據(jù)了化合物半導(dǎo)體市場上79%的份額，但得益于最大功率范圍、頻率、亮度、耗電量以及高頻噪聲等方面的優(yōu)勢(shì)，各大廠商都認(rèn)為第三代化合物半導(dǎo)體（GaN以及SiC）在應(yīng)用端將有更優(yōu)異的表現(xiàn)。未來，當(dāng)射頻芯片市場向高功率、高頻率演進(jìn)，比如隨著5G的不斷應(yīng)用，GaN將成為該領(lǐng)域最主要的解決方案材料；同時(shí)電力轉(zhuǎn)換領(lǐng)域向高電壓、高功率挺進(jìn)時(shí)，SiC因其在高溫、高壓、高頻方面的優(yōu)勢(shì)，將成為功率器件領(lǐng)域最有效率的制作材料。

功率器件本來是屬于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的分立器件子類別，但隨著制造工藝的不斷提升，目前有部分產(chǎn)品可以與集成電路復(fù)合生產(chǎn)，所以以功率半導(dǎo)體的發(fā)展來介紹行業(yè)演變。功率半導(dǎo)體的發(fā)展可分為以下四個(gè)階段：

第一階段是以整流管、晶閘管為代表的發(fā)展階段。這一階段的功率器件在低頻、大功率變流領(lǐng)域中的應(yīng)用占有優(yōu)勢(shì)，取代了早先的汞弧整流器。1947年美國著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶體管，功率二極管開始應(yīng)用于電力領(lǐng)域，1956年貝爾實(shí)驗(yàn)室又發(fā)明了晶閘管，1957年美國通用電氣公司開發(fā)出世界上第一只晶閘管器件，開創(chuàng)了傳統(tǒng)的功率器件應(yīng)用技術(shù)階段，晶閘管屬于半控型器件，即可通過信號(hào)控制其導(dǎo)通但無法實(shí)現(xiàn)關(guān)斷的器件，實(shí)現(xiàn)了弱電對(duì)強(qiáng)電的控制，在工業(yè)界引起了一場技術(shù)革命。由于晶閘管具有可控的單向?qū)щ娞匦?，被首先用于整流電路，因此也被稱為可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier,SCR）。SCR在體積、重量、動(dòng)態(tài)電氣性能和控制性能的優(yōu)越性，很快就取代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，且應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)大，晶閘管的迅速發(fā)展使得中大功率的各種變流裝置和電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)得到了快速發(fā)展。因?yàn)閷儆诎肟匦推骷?，通過對(duì)SCR門極的控制，SCR僅能導(dǎo)通而不能關(guān)斷，即該器件這一缺點(diǎn)使得SCR的應(yīng)用有著很大局限性，關(guān)斷這些器件的控制電路存在體積大、效率低、可靠性差、工作頻率低以及電網(wǎng)側(cè)和負(fù)載上諧波嚴(yán)重等缺點(diǎn)。

自功率IC出現(xiàn)以后，功率半導(dǎo)體市場從單一的功率器件產(chǎn)品，豐富為功率器件、功率集成電路產(chǎn)品并存，而又由于各代功率半導(dǎo)體產(chǎn)品在自身結(jié)構(gòu)體系內(nèi)不斷迭代、在不同的應(yīng)用領(lǐng)域及生產(chǎn)成本方面各有優(yōu)勢(shì)，當(dāng)前整個(gè)功率半導(dǎo)體市場呈現(xiàn)出多代產(chǎn)品共存的局面。

未來，隨著半導(dǎo)體加工技術(shù)及功率半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，電力電子技術(shù)也在不斷向前發(fā)展，并表現(xiàn)出如下特征：1、降低產(chǎn)品的重量、體積；2、減少電力轉(zhuǎn)換過程中的損耗；3、降低生產(chǎn)成本，縮短研發(fā)周期；4、降低產(chǎn)品的失效率，提升產(chǎn)品的可靠性；5、進(jìn)一步提升功率密度和開關(guān)頻率，以適應(yīng)更多新興發(fā)展方向；6、多代產(chǎn)品依照其功能、價(jià)格特點(diǎn)，依舊保持共存局面。

MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET）即金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，由P極、N極、G柵極、S源極和D漏級(jí)組成。金屬柵極與N極、P極之間有一層二氧化硅絕緣層，電阻非常高。不斷增加G與S間的電壓至一定程度，絕緣層電阻減小，形成導(dǎo)電溝道，從而控制漏極電流。因此MOSFET是通過電壓來控制導(dǎo)通，在G與S間施加一定電壓即可導(dǎo)通，不施加電壓則關(guān)斷，器件通斷完全可控。MOSFET的導(dǎo)通與阻斷都由電壓控制，電流可以雙向通過。MOSFET的優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)速度很高，通常在幾十納秒至幾百納秒，開關(guān)損耗很小，通常用于各類開關(guān)電源，缺點(diǎn)是在高壓環(huán)境下壓降很高，隨著電壓上升電阻變大，傳導(dǎo)損耗很高。

MOSFFET的結(jié)構(gòu)原理較為簡單，但隨著電力電子領(lǐng)域不斷有新的架構(gòu)方式被開發(fā)出來，尤其是Trench-gate、Super Junction、Insulated Field Plates等技術(shù)的應(yīng)用大幅改善了Power MOSFET的能量轉(zhuǎn)換效率及工作頻率，使得MOSFET也經(jīng)歷多次更新?lián)Q代。

MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET）即金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，由P極、N極、G柵極、S源極和D漏級(jí)組成。金屬柵極與N極、P極之間有一層二氧化硅絕緣層，電阻非常高。不斷增加G與S間的電壓至一定程度，絕緣層電阻減小，形成導(dǎo)電溝道，從而控制漏極電流。因此MOSFET是通過電壓來控制導(dǎo)通，在G與S間施加一定電壓即可導(dǎo)通，不施加電壓則關(guān)斷，器件通斷完全可控。MOSFET的導(dǎo)通與阻斷都由電壓控制，電流可以雙向通過。MOSFET的優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)速度很高，通常在幾十納秒至幾百納秒，開關(guān)損耗很小，通常用于各類開關(guān)電源，缺點(diǎn)是在高壓環(huán)境下壓降很高，隨著電壓上升電阻變大，傳導(dǎo)損耗很高。

MOSFFET的結(jié)構(gòu)原理較為簡單，但隨著電力電子領(lǐng)域不斷有新的架構(gòu)方式被開發(fā)出來，尤其是Trench-gate、Super Junction、Insulated Field Plates等技術(shù)的應(yīng)用大幅改善了Power MOSFET的能量轉(zhuǎn)換效率及工作頻率，使得MOSFET也經(jīng)歷多次更新?lián)Q代。

寬禁帶功率器件指基材禁帶寬度較高（大于2.3eV）的功率器件，一般僅指基于碳化硅、氮化鎵這類第三代半導(dǎo)體材料制作的功率器件。寬禁帶半導(dǎo)體由于基材與硅不同，所以在器件性能上與硅基器件有較大差異，例如第三代半導(dǎo)體材料的優(yōu)點(diǎn)是禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導(dǎo)率高、抗輻射能力強(qiáng)、頻率高，在高壓、高溫、高頻應(yīng)用領(lǐng)域相較于傳統(tǒng)硅基器件有更強(qiáng)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單化，降低損耗，更加節(jié)能，因此第三代半導(dǎo)體材料尤其適用于需要進(jìn)行大功率電流轉(zhuǎn)換的功率器件領(lǐng)域。。另外，第三代半導(dǎo)體材料的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是安全、環(huán)保，不會(huì)像砷化鎵（GaAs）、磷化銦中（InP）等對(duì)環(huán)境以及人體產(chǎn)生危害。而由于氮化鎵在材料端制備環(huán)節(jié)仍存在較大技術(shù)難度，當(dāng)前具備大規(guī)模量產(chǎn)條件的第三代半導(dǎo)體功率器件僅有碳化硅。

更高的擊穿場強(qiáng)、更好的熱穩(wěn)定性、更高的電子飽和速度及禁帶寬度等，能夠大大提高功率器件的性能表現(xiàn)。總結(jié)來看，對(duì)比硅基器件，碳化硅功率器件主要有三大優(yōu)勢(shì)：

（1）耐高溫、高壓。碳化硅功率器件的工作溫度理論上可達(dá)600℃以上，是同等硅基器件的4倍，耐壓能力是同等硅基器件的10倍，可以承受更加極端的工作環(huán)境。

（2）器件小型化和輕量化。碳化硅器件擁有更高的熱導(dǎo)率和功率密度，能夠簡化散熱系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)器件的小型化和輕量化。

（3）低損耗、高頻率。碳化硅器件的工作頻率可達(dá)硅基器件的10倍，而且效率不隨工作頻率的升高而降低，可以降低近50%的能量損耗；同時(shí)因頻率的提升減少了電感、變壓器等外圍組件體積，降低了組成系統(tǒng)后的體積及其他組件成本。

目前第三代半導(dǎo)體在器件結(jié)構(gòu)上主要以二極管、MOSFET為主，由于其相對(duì)于硅的優(yōu)良的耐高壓、高頻特性，使得目前以MOSFET結(jié)構(gòu)便足以替代硅基IGBT的廣泛應(yīng)用場景。

當(dāng)前第三代半導(dǎo)體功率器件處于起步階段，2018年全球市場規(guī)模約在4-5億美元左右，以碳化硅功率器件占絕大多數(shù)，主要應(yīng)用在電力轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，市場每年以30%左右的速度高速增長。當(dāng)前碳化硅功率器件主要在新能源汽車的車載充電機(jī)、充電樁、計(jì)算機(jī)電源、風(fēng)電逆變器、光伏逆變器、大型服務(wù)器電源、空調(diào)變頻器等領(lǐng)域有初步應(yīng)用。

碳化硅MOSFET在繼承了硅基MOSFET的開關(guān)特性優(yōu)異的特點(diǎn)時(shí)，因材料特性提升了耐壓能力，可處理大功率電力需求并實(shí)現(xiàn)高速開關(guān)，從在耐大功率、高頻率的全控型器件方面對(duì)硅基IGBT產(chǎn)品定位實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)。

在左邊IGBT與FRD組成的模組中，通過當(dāng)IGBT的開關(guān)OFF時(shí)的波形可以看到，會(huì)產(chǎn)生流過元器件結(jié)構(gòu)引起的尾（tail）電流，因而產(chǎn)生不必要的開關(guān)損耗。

而在下圖右邊碳化硅MOSFET和SBD組成的模組中，通過當(dāng)開關(guān)OFF時(shí)的波形可以看到，碳化硅MOSFET不流過尾電流，因此相應(yīng)的開關(guān)損耗非常小。

碳化硅MOSFET、SBD的模組與硅基IGBT、FRD的模組的關(guān)斷損耗Eoff相比，降低了88%。同時(shí)，因硅基IGBT的尾電流隨溫度升高而增加，在高溫時(shí)損耗相較于碳化硅MOSFET將進(jìn)一步加大。

無錫國晶微半導(dǎo)體技術(shù)有限公司是寬禁帶第三代半導(dǎo)體碳化硅SiC功率器件、氮化鎵GaN光電器件以及常規(guī)集成電路研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化的高科技創(chuàng)新型企業(yè)，從事碳化硅場效應(yīng)管，碳化硅肖特基二極管、GaN光電光耦繼電器、單片機(jī)集成電路等產(chǎn)品芯片設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與銷售并提供相關(guān)產(chǎn)品整體方案設(shè)計(jì)配套服務(wù)，總部位于江蘇省無錫市高新技術(shù)開發(fā)區(qū)內(nèi)，并在杭州、深圳和香港設(shè)有研發(fā)中心和銷售服務(wù)支持中心及辦事處。

公司具有國內(nèi)領(lǐng)先的研發(fā)實(shí)力，專注于為客戶提供高效能、低功耗、低阻值、品質(zhì)穩(wěn)定的碳化硅高低功率器件及光電集成電路產(chǎn)品，同時(shí)提供一站式的應(yīng)用解決方案和現(xiàn)場技術(shù)支持服務(wù)，使客戶的系統(tǒng)性能優(yōu)異、靈活可靠，并具有成本競爭力。

公司的碳化硅功率器件涵蓋650V/2A-100A，1200V/2A-90A，1700V/5A-80A等系列，產(chǎn)品已經(jīng)投入批量生產(chǎn)，產(chǎn)品完全可以對(duì)標(biāo)國際品牌同行的先進(jìn)品質(zhì)及水平。先后推出全電流電壓等級(jí)碳化硅肖特基二極管、通過工業(yè)級(jí)、車規(guī)級(jí)可靠性測(cè)試的碳化硅MOSFET系列產(chǎn)品，性能達(dá)到國際先進(jìn)水平，應(yīng)用于太陽能逆變電源、新能源電動(dòng)汽車及充電樁、智能電網(wǎng)、高頻電焊、軌道交通、工業(yè)控制特種電源、國防軍工等領(lǐng)域。由于其具有高速開關(guān)和低導(dǎo)通電阻的特性，即使在高溫條件下也能體現(xiàn)優(yōu)異的電氣特性，大幅降低開關(guān)損耗，使元器件更小型化及輕量化，效能更高效，提高系統(tǒng)整體可靠性，可使電動(dòng)汽車在續(xù)航里程提升10%，整車重量降低5%左右，并實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)用充電樁的高溫環(huán)境下安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

特別在高低壓光耦半導(dǎo)體技術(shù)方面更是擁有業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的研發(fā)團(tuán)隊(duì)。在國內(nèi)創(chuàng)先設(shè)計(jì)開發(fā)了28nm光敏光柵開關(guān)PVG芯片技術(shù)，并成功量產(chǎn)應(yīng)用于60V、400V、600V高低壓、低內(nèi)阻、低電容的光電耦合繼電器芯片、涵蓋1500kVrms SOP超小封裝及3750kVrms隔離增強(qiáng)型常規(guī)SMD、DIP等不同封裝，單路、雙路、混合雙路、常開常閉等電路產(chǎn)品，另包括200V SOI MOS/LIGBT集成芯片、100V CMOS/LDMOS集成芯片、8bit及32bit單片機(jī)等集成電路產(chǎn)品，均獲得市場及各重點(diǎn)科研單位、檢測(cè)機(jī)構(gòu)的新產(chǎn)品認(rèn)定。

公司核心研發(fā)團(tuán)隊(duì)中大部分工程師擁有碩士及以上學(xué)位，并有多名博士主持項(xiàng)目的開發(fā)。公司建立了科技創(chuàng)新和知識(shí)產(chǎn)權(quán)管理的規(guī)范體系，在電路設(shè)計(jì)、半導(dǎo)體器件及工藝設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、器件模型提取等方面積累了眾多核心技術(shù)，擁有多項(xiàng)國際、國內(nèi)自主發(fā)明專利。

“國之重器，從晶出發(fā)，自強(qiáng)自主，成就百年”是國晶微半導(dǎo)體的企業(yè)目標(biāo)，我們?yōu)閱T工提供精彩的發(fā)展空間，為客戶提供精良的產(chǎn)品服務(wù)，我們真誠期待與您攜手共贏未來。

審核編輯：湯梓紅