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第三代半導體的技術價值、產業發展和技術趨勢

作者:時間:2021-08-30來源:電子產品世界收藏

日前,英飛凌工業功率控制事業部大中華區市場推廣總監陳子穎先生和英飛凌科技電源與傳感事業部大中華區應用市場總監程文濤先生在媒體采訪中就第三代半導體技術價值、產業發展和技術趨勢進行了深入解讀。

本文引用地址:http://www.mcremix.com/article/202108/427895.htm

進入后摩爾時代,一方面,人類社會追求以萬物互聯、人工智能、大數據、智慧城市、智能交通等技術提高生活質量,發展的步伐正在加速。另一方面,通過低碳生活改善全球氣候狀況也越來越成為大家的共識。

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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,化石燃料資源的日漸耗竭,以及氣候變化等問題,要求我們去尋找更智慧、更高效的能源生產、傳輸、配送、儲存和使用方式。

在整個能源轉換鏈中,第三代半導體技術的節能潛力可為實現長期的全球節能目標做出很大貢獻。除此之外,寬禁帶產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、個人電子設備等等極為廣泛的應用場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以下的中低功率領域。

除高速之外,碳化硅還具有高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率等特點,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價值的另一個重要方面。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應用中,SiC MOSFET的價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,可以通過提高系統的開關頻率來提高系統性能,提高系統功率密度。這里舉兩個例子:

●   電動汽車直流充電樁的功率單元,如果采用Si MOSFET,則需要兩級LLC串聯,電路復雜,而如果采用SiC MOSFET,單級LLC就可以實現,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%。

在可靠性和質量保證方面,SiC器件有平面柵和溝槽柵兩種類型,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題,同時功率密度也更高。

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

然而,碳化硅是否會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,在進一步提升性能方面遇到了一些困難。開關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越小,于是業界開始希望SiC能夠成為顛覆性的技術。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的技術也在進步,采用微溝槽技術的TRENCHSTOP?5,IGBT7是新的里程碑,伴隨著封裝技術的進步,IGBT器件的性能和功率密度越來越高。同時,針對不同的應用而開發的產品,可以做一些特別的優化處理,從而提高硅器件在系統中的表現,進而提高系統性能和性價比。因此,第三代半導體的發展進程,必然是與硅器件相伴而行,在技術發展的同時,還有針對不同應用的大規模商業化價值因素的考量,期望第三代器件很快在所有應用場景中替代硅器件是不現實的。

產業化之路

英飛凌1992年開始研發SiC功率器件,1998年建立2英寸的生產線,2001年推出第一個SiC產品,今年正好20周年。20年來碳化硅技術在進步,2006年發布采用MPS技術的二極管,解決耐沖擊電流的痛點;2013年推出第五代薄晶圓技術二極管,2014年——2017年先后發布SiC JFET,第五代1200V二極管,6英寸技術和SiC溝槽柵MOSFET。

從英飛凌SiC器件的發展史,可以看出SiC技術的發展歷程和趨勢。我們深知平面柵的可靠性問題,在溝槽柵沒有開發完成之前,通過SiC JFET這一過渡產品,幫助客戶快速進入SiC應用領域。從技術發展趨勢來看,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,更注重可靠性問題。

在產業層面,當時間來到21世紀的第三個十年,整個第三代半導體產業格局相對于發展初期已經發生了巨大的變化。具體而言,碳化硅產業正在加速垂直整合,而氮化鎵產業形成了IDM以及設計公司和晶圓代工廠合作并存的模式。這些都顯示出,第三代半導體產業已經進入了大規模、高速發展的階段。

當然,與硅基器件行業相比,第三代半導體產業發展時間相對較短,在標準化、成熟度等方面還有很長的路要走,尤其是在品質與長期可靠性方面,還有大量的研究和驗證工作要做。英飛凌在標準化、品質管理和可靠性方面擁有豐富的經驗和公認的優勢,在第三代器件發展之初就開始持續投入大量的資源,對此進行深入的分析、研究和優化,不斷推動第三代半導體行業的穩健發展。為此,英飛凌發表了《碳化硅可靠性白皮書》,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層面值得關注的領域很多。例如碳化硅晶圓的冷切割技術,器件溝道結構優化,氮化鎵門極結構優化,長期可靠性模型、成熟硅功率器件模塊及封裝技術的移植等等,都會對第三代半導體長期發展產生深遠的影響。這幾個領域也正是英飛凌第三代半導體產品開發過程中所專注和擅長的領域。

具體而言,2018年英飛凌收購了位于德累斯頓的初創公司Siltectra。該公司的冷切割(Cold Split)創新技術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切割碳化硅晶圓,可使單片晶圓產出的芯片數量翻倍,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,發布了TO-247封裝的650V CoolSiC? MOSFET,進一步完善了產品組合。目前貼片封裝的650V產品系列正在開發當中。在氮化鎵方面,今年五月我們推出了集成功率級產品CoolGaN? IPS系列,成為旗下眾多WBG功率元件組合的最新產品。IPS基本的產品組合包括半橋和單通道產品,目標市場為低功率至中功率的應用,例如充電器、適配器以及其他開關電源。代表產品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。此產品包含兩個140mΩ/600V增強型HEMT開關以及EiceDRIVER?系列中的氮化鎵專用隔離高低側驅動器。

在高壓方面,碳化硅產品會繼續朝著發揮其主要特性的方向發展,耐壓更高,2-3kV等級的產品會相繼面世。

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



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