國外SiC材料現(xiàn)狀及趨勢

國外6英寸晶圓為主流；8英寸晶圓逐步成熟；

國內(nèi)SiC材料現(xiàn)狀及趨勢

國內(nèi)4英寸成熟，6英寸晶圓逐步成熟；8英寸晶圓正在研發(fā)和轉(zhuǎn)換；

SiC材料的成本與價格

隨著國內(nèi)多家SiC單晶襯底廠和外延廠的投產(chǎn)，SiC晶圓的成本在快速下降。據(jù)統(tǒng)計國內(nèi)有192家相關(guān)企業(yè)涉足SiC。

SiC功率器件的發(fā)展歷程和發(fā)展趨勢

國際上6英寸芯片已是主流技術(shù)，正在發(fā)展8英寸芯片技術(shù)；600~3300V/100A 二極管產(chǎn)品已發(fā)展到第五代；600~1700V /100A MOSFET產(chǎn)品已發(fā)展到第三代；已研制出27kV/20A 規(guī)格IGBT器件。

SiC功率器件已應(yīng)用于電動汽車和充電樁，英飛凌、科銳等巨頭已在大力布局；面向高鐵機(jī)車、智能電網(wǎng)等超高壓應(yīng)用的SiC器件目前仍處于實(shí)驗(yàn)室水平。

SiC 肖特基二極管產(chǎn)品

650V、1200V的SiC肖特基二極管（SBD）產(chǎn)品已經(jīng)完全市場化。國內(nèi)與國外廠商單看性能指標(biāo)差別不大

SiC MOSFET產(chǎn)品

目前市場上主要是國外公司產(chǎn)品（Wolfspeed，Infineon，Rohm等），國內(nèi)處于研發(fā)和中試階段，尚未大批量上市

Cree最新一代mosfet已經(jīng)達(dá)到0.3Ω*mm2

國內(nèi)SiC MOSFET的研發(fā)現(xiàn)狀

國內(nèi)1200V SiC MOSFET驗(yàn)證性器件的技術(shù)指標(biāo)緊追國際水平，但是工程化和市場化的產(chǎn)品有差距

國內(nèi)主要研發(fā)單位：中國中車，西電、電子科大，中電科55所等

為了降低電阻、減小芯片面積，器件結(jié)構(gòu)的整體趨勢由平面向溝槽結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換

SiC IGBT研究進(jìn)展

國內(nèi)外的公司和高校、研究所對IGBT進(jìn)行了研究和開發(fā)，但是尚未進(jìn)入市場。

目前領(lǐng)先單位：美國Cree（Wolfspeed）

國內(nèi)主要研發(fā)單位：中電55所、電子科大，西電、中科院半導(dǎo)體所等

SiC 功率模塊產(chǎn)品

SiC功率模塊：國外公司占主導(dǎo)

西電SiC功率半導(dǎo)體研究進(jìn)展：外延生長

研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的SiC外延CVD設(shè)備，具備小批量生產(chǎn)的能力。

掌握生長6英寸4H-SiC外延片（0.5~100μm）的n和p型成套生長工藝技術(shù)。

西電SiC功率半導(dǎo)體研究進(jìn)展：終端調(diào)制技術(shù)

凹槽輔助場限環(huán)終端結(jié)構(gòu)：增加了終端區(qū)的曲率半徑，有效降低了注入?yún)^(qū)邊角的電場強(qiáng)度，將峰值電場位置從表面轉(zhuǎn)移到體內(nèi)，終端效率從76%提升到90%

漸變摻雜尾區(qū)修正JTE終端：通過漸變摻雜尾區(qū)修正構(gòu)造出微型多區(qū)效應(yīng)，弱化邊界曲率，實(shí)現(xiàn)擊穿效率高達(dá)99%

不等間距場限環(huán)終端結(jié)構(gòu)：解決了大面積器件終端及源區(qū)電場均勻性場調(diào)制問題，1.2kV~5kV級SiC JBS器件指標(biāo)接近4H-SiC材料單極極限

單次注入多臺階JTE終端：最終實(shí)現(xiàn)了11kV SiC PIN器件

西電SiC功率半導(dǎo)體研究進(jìn)展：功率密度提升技術(shù)

浮動結(jié)技術(shù)

浮動結(jié)JBS器件，降低了器件導(dǎo)通電阻和反向漏電，器件功率密度優(yōu)值（BFOM）達(dá)到8.64GW/cm2，提高了33

浮動結(jié)UMOSFET器件，功率優(yōu)值提升439%，柵電荷降低了30%。

L型圍柵體內(nèi)場調(diào)制技術(shù)

槽柵拐角的峰值電場降低32.3%，功率密度提升1.5倍

柵界面調(diào)控技術(shù)：氮化/高溫氧化/氮化的三明治

降低界面態(tài)密度二個數(shù)量級，MOS器件溝道遷移率38cm2/V.s

西電SiC功率半導(dǎo)體研究進(jìn)展：二極管

研制出650V、1.2kV、3.3kV、5kV、6.4kV系列SiC JBS器件；

10kV/13kV SiC PiN二極管；

單管實(shí)現(xiàn)1.2kV/50A，3.3kV/5A，5kV/3A的功率二極管器件

西電SiC功率半導(dǎo)體研究進(jìn)展：MOSFET

實(shí)現(xiàn)短溝道、高良率（>90%）、低特征導(dǎo)通電阻4.1mΩ.cm2的1200V/100A產(chǎn)品研制

1200V/60mΩ SiC MOSFET

西電SiC功率半導(dǎo)體研究進(jìn)展：SiC中子探測器

SiC中子探測器已實(shí)現(xiàn)重大項(xiàng)目應(yīng)用

SiC功率半導(dǎo)體的發(fā)展展望

材料：未來5年內(nèi)8英寸襯底和外延片技術(shù)成熟，缺陷密度下降到可用水平，成本下降；

器件：成本逐漸下降，與同等規(guī)格Si功率器件可以比擬；1700V以上MOSFET良率和可靠性問題解決； IGBT產(chǎn)品化；

應(yīng)用：近期內(nèi)大量進(jìn)入儲能，光伏，電動汽車市場；中長期內(nèi)進(jìn)入電網(wǎng)、鐵軌等高壓功率市場；

SiC功率肖特基二極管研展望

目前產(chǎn)品研制方向：

提升浪涌、雪崩能力：新器件結(jié)構(gòu)

提高電流密度：新型終端結(jié)構(gòu)，新型封裝

降低導(dǎo)通壓降：襯底減薄技術(shù)，新型金屬材料

SiC功率肖特基MOSFET展望

芯片設(shè)計優(yōu)化：減小pitch尺寸，增強(qiáng)電流密度

Trench，SGT，SJ MOS等：導(dǎo)通電阻降低，降低開關(guān)損耗，減小器件尺寸

優(yōu)化終端結(jié)構(gòu)，提高利用率

優(yōu)化柵氧生長技術(shù)

高濃度摻雜，異質(zhì)結(jié)二極管

界面優(yōu)化，降低散射

SiC功率器件的單粒子效應(yīng)

目前SiC器件在單粒子輻射下永久漏電損傷閾值低于30%，SEB閾值低于50%，均遠(yuǎn)低于器件標(biāo)稱電壓。

SiC功率MOSFET IP分布

碳化硅功率器件的IP主要集中在日本、歐美等國家的國際公司，國內(nèi)主要集中在西安電子科技大學(xué)等大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)，相關(guān)公司的IP偏少。

作者：張玉明（賈仁需）