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第三代半导体的技术价值、产业发展和技术趋势

2021年08月30日 14:28 次阅读

日前,英飞凌工业功率控制事业部大中华区市场推广总监陈子颖先生和英飞凌科技电源与传感事业部大中华区应用市场总监程文涛先生在媒体采访中就第三代半导体技术价值、产业发展和技术趋势进行了深入解读。

进入后摩尔时代,一方面,人类社会追求以万物互联、人工智能、大数据、智慧城市、智能交通等技术提高生活质量,发展的步伐正在加速。另一方面,通过低碳生活改善全球气候状况也越来越成为大家的共识。

目前全球能源需求的三分之一左右是用电需求,能源需求的日益增长,化石燃料资源的日渐耗竭,以及气候变化等问题,要求我们去寻找更智慧、更高效的能源生产、传输、配送、储存和使用方式。

在整个能源转换链中,第三代半导体技术的节能潜力可为实现长期的全球节能目标做出很大贡献。除此之外,宽禁带产品和解决方案有利于提高效率、提高密度、缩小尺寸、减轻重量、降低总成本,因此将在交通、数据中心、智能楼宇、家电、个人电子设备等等极为广泛的应用场景中为能效提升做出贡献。

例如在电力电子系统应用中,一直期待1200V以上耐压的高速功率器件出现,这样的器件当今非SiC MOSFET莫属。而硅MOSFET主要应用在650V以下的中低功率领域。

除高速之外,碳化硅还具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率等特点,尤其适合对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件要求较高的应用。

功率密度是器件技术价值的另一个重要方面。SiC MOSFET芯片面积比IGBT小很多,譬如100A/1200V的SiC MOSFET芯片大小大约是IGBT与续流二级管之和的五分之一。因此,在高功率密度和高速电机驱动应用中,SiC MOSFET的价值能够得到很好的体现,其中包括650V SiC MOSFET。

在耐高压方面,1200V以上高压的SiC高速器件,可以通过提高系统的开关频率来提高系统性能,提高系统功率密度。这里举两个例子:

·电动汽车直流充电桩的功率单元,如果采用Si MOSFET,则需要两级LLC串联,电路复杂,而如果采用SiC MOSFET,单级LLC就可以实现,从而大大提高充电桩的功率单元单机功率。

·三相系统中的反激式电源,1700V SiC MOSFET也是完美的解决方案,可以比1500V硅MOSFET损耗降低50%,提高效率2.5%。

在可靠性和质量保证方面,SiC器件有平面栅和沟槽栅两种类型,英飞凌的沟槽栅SiC MOSFET能很好地规避平面栅的栅极氧化层可靠性问题,同时功率密度也更高。

正是由于SiC MOSFET这些出色的性能,其在光伏逆变器、UPS、ESS、电动汽车充电、燃料电池、电机驱动和电动汽车等领域都有相应的应用。

然而,碳化硅是否会成为通吃一切应用的终极解决方案呢?

众所周知,硅基功率半导体的代表——IGBT技术,在进一步提升性能方面遇到了一些困难。开关损耗与导通饱和压降降低相互制约,降低损耗和提升效率的空间越来越小,于是业界开始希望SiC能够成为颠覆性的技术。但是,这样的看法这不是很全面。首先,以英飞凌为代表的硅基IGBT的技术也在进步,采用微沟槽技术的TRENCHSTOP™5,IGBT7是新的里程碑,伴随着封装技术的进步,IGBT器件的性能和功率密度越来越高。同时,针对不同的应用而开发的产品,可以做一些特别的优化处理,从而提高硅器件在系统中的表现,进而提高系统性能和性价比。因此,第三代半导体的发展进程,必然是与硅器件相伴而行,在技术发展的同时,还有针对不同应用的大规模商业化价值因素的考量,期望第三代器件很快在所有应用场景中替代硅器件是不现实的。

产业化之路

英飞凌1992年开始研发SiC功率器件,1998年建立2英寸的生产线,2001年推出第一个SiC产品,今年正好20周年。20年来碳化硅技术在进步,2006年发布采用MPS技术的二极管,解决耐冲击电流的痛点;2013年推出第五代薄晶圆技术二极管,2014年——2017年先后发布SiC JFET,第五代1200V二极管,6英寸技术和SiC沟槽栅MOSFET。

从英飞凌SiC器件的发展史,可以看出SiC技术的发展历程和趋势。我们深知平面栅的可靠性问题,在沟槽栅没有开发完成之前,通过SiC JFET这一过渡产品,帮助客户快速进入SiC应用领域。从技术发展趋势来看,SiC MOSFET比IGBT更迫切地需要转向沟槽栅,除了功率密度方面的考量之外,更注重可靠性问题。

在产业层面,当时间来到21世纪的第三个十年,整个第三代半导体产业格局相对于发展初期已经发生了巨大的变化。具体而言,碳化硅产业正在加速垂直整合,而氮化镓产业形成了IDM以及设计公司和晶圆代工厂合作并存的模式。这些都显示出,第三代半导体产业已经进入了大规模、高速发展的阶段。

当然,与硅基器件行业相比,第三代半导体产业发展时间相对较短,在标准化、成熟度等方面还有很长的路要走,尤其是在品质与长期可靠性方面,还有大量的研究和验证工作要做。英飞凌在标准化、品质管理和可靠性方面拥有丰富的经验和公认的优势,在第三代器件发展之初就开始持续投入大量的资源,对此进行深入的分析、研究和优化,不断推动第三代半导体行业的稳健发展。为此,英飞凌发表了《碳化硅可靠性白皮书》,论述英飞凌如何控制和保证基于SiC的功率半导体器件的可靠性。

成果和趋势

当前,第三代半导体在技术层面值得关注的领域很多。例如碳化硅晶圆的冷切割技术,器件沟道结构优化,氮化镓门极结构优化,长期可靠性模型、成熟硅功率器件模块及封装技术的移植等等,都会对第三代半导体长期发展产生深远的影响。这几个领域也正是英飞凌第三代半导体产品开发过程中所专注和擅长的领域。

具体而言,2018年英飞凌收购了位于德累斯顿的初创公司Siltectra。该公司的冷切割(Cold Split)创新技术可高效处理晶体材料,最大限度减少材料损耗。英飞凌利用这一冷切割技术切割碳化硅晶圆,可使单片晶圆产出的芯片数量翻倍,从而有效降低SiC成本。

在中低功率SiC器件方面,去年英飞凌在1200V系列基础上,发布了TO-247封装的650V CoolSiC™ MOSFET,进一步完善了产品组合。目前贴片封装的650V产品系列正在开发当中。在氮化镓方面,今年五月我们推出了集成功率级产品CoolGaN™ IPS系列,成为旗下众多WBG功率元件组合的最新产品。IPS基本的产品组合包括半桥和单通道产品,目标市场为低功率至中功率的应用,例如充电器、适配器以及其他开关电源。代表产品600V CoolGaN™半桥式IPS IGI60F1414A1L,8x8 QFN-28封装,可为系统提供极高的功率密度。此产品包含两个140mΩ/600V增强型HEMT开关以及EiceDRIVER™系列中的氮化镓专用隔离高低侧驱动器。

在高压方面,碳化硅产品会继续朝着发挥其主要特性的方向发展,耐压更高,2-3kV等级的产品会相继面世。

同时,英飞凌会利用成熟的模块技术、低寄生电感、低热阻的封装技术等,针对不同的应用开发相应产品。比如,低寄生电感封装可以让SiC器件更好发挥高速性能,低热阻的封装技术虽然成本略高,但可以有效提高器件电流输出能力,从而实际上降低了单位功率密度的成本。

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