第三代半導體的技術(shù)價(jià)值、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和技術(shù)趨勢

日前，英飛凌工業(yè)功率控制事業(yè)部大中華區市場(chǎng)推廣總監陳子穎先生和英飛凌科技電源與傳感事業(yè)部大中華區應用市場(chǎng)總監程文濤先生在媒體采訪(fǎng)中就第三代半導體技術(shù)價(jià)值、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和技術(shù)趨勢進(jìn)行了深入解讀。

進(jìn)入后摩爾時(shí)代，一方面，人類(lèi)社會(huì )追求以萬(wàn)物互聯(lián)、人工智能、大數據、智慧城市、智能交通等技術(shù)提高生活質(zhì)量，發(fā)展的步伐正在加速。另一方面，通過(guò)低碳生活改善全球氣候狀況也越來(lái)越成為大家的共識。

目前全球能源需求的三分之一左右是用電需求，能源需求的日益增長(cháng)，化石燃料資源的日漸耗竭，以及氣候變化等問(wèn)題，要求我們去尋找更智慧、更高效的能源生產(chǎn)、傳輸、配送、儲存和使用方式。

在整個(gè)能源轉換鏈中，第三代半導體技術(shù)的節能潛力可為實(shí)現長(cháng)期的全球節能目標做出很大貢獻。除此之外，寬禁帶產(chǎn)品和解決方案有利于提高效率、提高密度、縮小尺寸、減輕重量、降低總成本，因此將在交通、數據中心、智能樓宇、家電、個(gè)人電子設備等等極為廣泛的應用場(chǎng)景中為能效提升做出貢獻。

例如在電力電子系統應用中，一直期待1200V以上耐壓的高速功率器件出現，這樣的器件當今非SiC MOSFET莫屬。而硅MOSFET主要應用在650V以下的中低功率領(lǐng)域。

除高速之外，碳化硅還具有高熱導率、高擊穿場(chǎng)強、高飽和電子漂移速率等特點(diǎn)，尤其適合對高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件要求較高的應用。

功率密度是器件技術(shù)價(jià)值的另一個(gè)重要方面。SiC MOSFET芯片面積比IGBT小很多，譬如100A/1200V的SiC MOSFET芯片大小大約是IGBT與續流二級管之和的五分之一。因此，在高功率密度和高速電機驅動(dòng)應用中，SiC MOSFET的價(jià)值能夠得到很好的體現，其中包括650V SiC MOSFET。

在耐高壓方面，1200V以上高壓的SiC高速器件，可以通過(guò)提高系統的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)提高系統性能，提高系統功率密度。這里舉兩個(gè)例子：

●   電動(dòng)汽車(chē)直流充電樁的功率單元，如果采用Si MOSFET，則需要兩級LLC串聯(lián)，電路復雜，而如果采用SiC MOSFET，單級LLC就可以實(shí)現，從而大大提高充電樁的功率單元單機功率。

●   三相系統中的反激式電源，1700V SiC MOSFET也是完美的解決方案，可以比1500V硅MOSFET損耗降低50%，提高效率2.5%。

在可靠性和質(zhì)量保證方面，SiC器件有平面柵和溝槽柵兩種類(lèi)型，英飛凌的溝槽柵SiC MOSFET能很好地規避平面柵的柵極氧化層可靠性問(wèn)題，同時(shí)功率密度也更高。

正是由于SiC MOSFET這些出色的性能，其在光伏逆變器、UPS、ESS、電動(dòng)汽車(chē)充電、燃料電池、電機驅動(dòng)和電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域都有相應的應用。

然而，碳化硅是否會(huì )成為通吃一切應用的終極解決方案呢？

眾所周知，硅基功率半導體的代表——IGBT技術(shù)，在進(jìn)一步提升性能方面遇到了一些困難。開(kāi)關(guān)損耗與導通飽和壓降降低相互制約，降低損耗和提升效率的空間越來(lái)越小，于是業(yè)界開(kāi)始希望SiC能夠成為顛覆性的技術(shù)。但是，這樣的看法這不是很全面。首先，以英飛凌為代表的硅基IGBT的技術(shù)也在進(jìn)步，采用微溝槽技術(shù)的TRENCHSTOP?5，IGBT7是新的里程碑，伴隨著(zhù)封裝技術(shù)的進(jìn)步，IGBT器件的性能和功率密度越來(lái)越高。同時(shí)，針對不同的應用而開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，可以做一些特別的優(yōu)化處理，從而提高硅器件在系統中的表現，進(jìn)而提高系統性能和性?xún)r(jià)比。因此，第三代半導體的發(fā)展進(jìn)程，必然是與硅器件相伴而行，在技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，還有針對不同應用的大規模商業(yè)化價(jià)值因素的考量，期望第三代器件很快在所有應用場(chǎng)景中替代硅器件是不現實(shí)的。

產(chǎn)業(yè)化之路

英飛凌1992年開(kāi)始研發(fā)SiC功率器件，1998年建立2英寸的生產(chǎn)線(xiàn)，2001年推出第一個(gè)SiC產(chǎn)品，今年正好20周年。20年來(lái)碳化硅技術(shù)在進(jìn)步，2006年發(fā)布采用MPS技術(shù)的二極管，解決耐沖擊電流的痛點(diǎn)；2013年推出第五代薄晶圓技術(shù)二極管，2014年——2017年先后發(fā)布SiC JFET，第五代1200V二極管，6英寸技術(shù)和SiC溝槽柵MOSFET。

從英飛凌SiC器件的發(fā)展史，可以看出SiC技術(shù)的發(fā)展歷程和趨勢。我們深知平面柵的可靠性問(wèn)題，在溝槽柵沒(méi)有開(kāi)發(fā)完成之前，通過(guò)SiC JFET這一過(guò)渡產(chǎn)品，幫助客戶(hù)快速進(jìn)入SiC應用領(lǐng)域。從技術(shù)發(fā)展趨勢來(lái)看，SiC MOSFET比IGBT更迫切地需要轉向溝槽柵，除了功率密度方面的考量之外，更注重可靠性問(wèn)題。

在產(chǎn)業(yè)層面，當時(shí)間來(lái)到21世紀的第三個(gè)十年，整個(gè)第三代半導體產(chǎn)業(yè)格局相對于發(fā)展初期已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化。具體而言，碳化硅產(chǎn)業(yè)正在加速垂直整合，而氮化鎵產(chǎn)業(yè)形成了IDM以及設計公司和晶圓代工廠(chǎng)合作并存的模式。這些都顯示出，第三代半導體產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入了大規模、高速發(fā)展的階段。

當然，與硅基器件行業(yè)相比，第三代半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展時(shí)間相對較短，在標準化、成熟度等方面還有很長(cháng)的路要走，尤其是在品質(zhì)與長(cháng)期可靠性方面，還有大量的研究和驗證工作要做。英飛凌在標準化、品質(zhì)管理和可靠性方面擁有豐富的經(jīng)驗和公認的優(yōu)勢，在第三代器件發(fā)展之初就開(kāi)始持續投入大量的資源，對此進(jìn)行深入的分析、研究和優(yōu)化，不斷推動(dòng)第三代半導體行業(yè)的穩健發(fā)展。為此，英飛凌發(fā)表了《碳化硅可靠性白皮書(shū)》，論述英飛凌如何控制和保證基于SiC的功率半導體器件的可靠性。

成果和趨勢

當前，第三代半導體在技術(shù)層面值得關(guān)注的領(lǐng)域很多。例如碳化硅晶圓的冷切割技術(shù)，器件溝道結構優(yōu)化，氮化鎵門(mén)極結構優(yōu)化，長(cháng)期可靠性模型、成熟硅功率器件模塊及封裝技術(shù)的移植等等，都會(huì )對第三代半導體長(cháng)期發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響。這幾個(gè)領(lǐng)域也正是英飛凌第三代半導體產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中所專(zhuān)注和擅長(cháng)的領(lǐng)域。

具體而言，2018年英飛凌收購了位于德累斯頓的初創(chuàng )公司Siltectra。該公司的冷切割（Cold Split）創(chuàng )新技術(shù)可高效處理晶體材料，最大限度減少材料損耗。英飛凌利用這一冷切割技術(shù)切割碳化硅晶圓，可使單片晶圓產(chǎn)出的芯片數量翻倍，從而有效降低SiC成本。

在中低功率SiC器件方面，去年英飛凌在1200V系列基礎上，發(fā)布了TO-247封裝的650V CoolSiC? MOSFET，進(jìn)一步完善了產(chǎn)品組合。目前貼片封裝的650V產(chǎn)品系列正在開(kāi)發(fā)當中。在氮化鎵方面，今年五月我們推出了集成功率級產(chǎn)品CoolGaN? IPS系列，成為旗下眾多WBG功率元件組合的最新產(chǎn)品。IPS基本的產(chǎn)品組合包括半橋和單通道產(chǎn)品，目標市場(chǎng)為低功率至中功率的應用，例如充電器、適配器以及其他開(kāi)關(guān)電源。代表產(chǎn)品600V CoolGaN?半橋式IPS IGI60F1414A1L，8x8 QFN-28封裝，可為系統提供極高的功率密度。此產(chǎn)品包含兩個(gè)140mΩ/600V增強型HEMT開(kāi)關(guān)以及EiceDRIVER?系列中的氮化鎵專(zhuān)用隔離高低側驅動(dòng)器。

在高壓方面，碳化硅產(chǎn)品會(huì )繼續朝著(zhù)發(fā)揮其主要特性的方向發(fā)展，耐壓更高，2-3kV等級的產(chǎn)品會(huì )相繼面世。

同時(shí)，英飛凌會(huì )利用成熟的模塊技術(shù)、低寄生電感、低熱阻的封裝技術(shù)等，針對不同的應用開(kāi)發(fā)相應產(chǎn)品。比如，低寄生電感封裝可以讓SiC器件更好發(fā)揮高速性能，低熱阻的封裝技術(shù)雖然成本略高，但可以有效提高器件電流輸出能力，從而實(shí)際上降低了單位功率密度的成本。