碳化硅MOSFET芯片设计及发展趋势

 

随着国内对碳化硅技术的日益重视和不断加大的研发投入，国内碳化硅MOSFET芯片设计的水平逐步提升，研究和应用领域也在不断扩展。近日，“2023功率与光电半导体器件设计及集成应用论坛”于西安召开。论坛由第三代半导体产业技术创新战略联盟（CASA）指导，西安交通大学、极智半导体产业网（www.casmita.com）、第三代半导体产业主办，西安电子科技大学、中国科学院半导体研究所、第三代半导体产业技术创新战略联盟人才发展委员会、全国半导体应用产教融合（东莞）职业教育集团联合组织、西安和其光电股份有限公司等单位协办。

 

期间，“平行论坛1：功率半导体器件设计及集成应用”上，深圳市森国科科技股份有限公司兰华兵做了题为“碳化硅MOSFET芯片设计及发展趋势”的主题报告。SiC器件具有优异的特性，未来在高压、高频、大功率、环境恶劣的场景下将逐渐替代硅基功率器件。第三代半导体目前主流器件形式为碳化硅衬底-碳化硅外延功率器件，用以实现AC->AC(变压器)、AC>DC(整流器)、DC->AC(逆变器)、DC->DC(升降压变换器)，碳化硅器件更适合高压和高可靠性情景，应用在新能源汽车和工控等领域。

他认为，SiC功率器件的未来，要提高器件的可靠性和效率。

可以从三个方面入手：

1、提高材料质量和工艺稳定性：碳化硅功率器件生产过程中需要控制材料质量和工艺稳定性，尤其是在制造高质量晶体时。此外，还需要采用先进的微细加工技术，提高器件的精度和一致性，从而提升器件的可靠性和效率。

2、 优化设计和结构：在碳化硅功率器件设计方面，需要考虑材料的特性和应用场景的要求，选择最优的结构和参数。同时，还需要通过设计优化减少能量损失和热效应，优化器件的电热特性和稳定性。

3、改进封装技术：碳化硅功率器件的封装方式对器件的性能和可靠性影响很大。因此，需要优化封装材料和结构，提高温度承受能力和抗电气应力能力。此外，还需要采用先进的封装工艺，提高封装可靠性和耐久性。

碳化硅功率器件的未来趋势是朝着尺寸缩小的方向发展。

针对此趋势，可以从以下方面进行更深入的探讨：

1. 更小的芯片尺寸。碳化硅器件尺寸的缩小，可以通过采用更先进的制造工艺来实现，目标是在不增加器件大小的情况下提高芯片功率密度和效率。随着尺寸的缩小，碳化硅器件的电路集成度不断提高。高集成度的器件可以带来更低的损耗和更小的体积，同时也可以实现更高的性能。

2. 更高的工作温度。碳化硅器件的尺寸缩小还可以降低器件的热阻，使得器件能够在更高的温度下正常工作。这对于一些高温工作条件下的应用非常有益，例如航空航天、军事和汽车行业等。

碳化硅功率器件随着市场规模的快速增长，降低成本是未来大趋势，可以从以下方面进行更深入的探讨：更大尺寸的衬底，比如6寸到8寸；更高效的衬底长晶效率，大幅度提升良率；更低损耗的水冷激光切割；更高效的外延生长效率；进一步扩大晶圆代工的生产规模，以规模化降低生产成本。

在介绍新能源汽车应用方面，Yole 预测预计到 2027 年，SiC 器件市场将从 2021 年的 10 亿美元业务增长到 60 亿美元以上，主要包括新能源汽车、泛新能源市场。新能源汽车从400V平台向800V平台跃迁已是业内共识，可使汽车电池在10分钟内充满80%电量，解决“里程焦虑”和“充电焦虑”。SiC逆变器使得电源频率增加，电机转速增加，相同功率下转矩减小，体积减小。800V 架构时代来临，SiC 在高压下较 IGBT 性能优势更为明显，损耗降低幅度更大。SiC 在新能源车主逆变器及 OBC 中渗透率将快速提升。至 2025 年全球新能源汽车消耗 SiC 衬底数量将达到 199.6 万片/年。

报告还分享了泛新能源、光伏逆变、储能、充电桩等领域的应用现状与趋势。此外，报告结合当前碳化硅材料及器件特性探讨了最新技术进展，报告指出，提高器件的可靠性和效率，器件尺寸缩小，降低成本是SiC 功率器件未来重要的发展方向。SiC功率器件及模块在新能源汽车及泛新能源，风光储充的产业机会坡长雪厚。

 

审核编辑：刘清