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[导读]硅是半导体产业的代表元素,作为最基础的器件原料,硅的性能已经接近了其物理极限。近年来随着电动汽车、5G的新应用的普及,对于功率器件的性能提出了更高的要求。例如GaN、砷化镓和SiC(碳化硅)等新材料半导体器件已经成为了行业内备受关注的产品。

硅是半导体产业的代表元素,作为最基础的器件原料,硅的性能已经接近了其物理极限。近年来随着电动汽车、5G的新应用的普及,对于功率器件的性能提出了更高的要求。例如GaN、砷化镓和SiC(碳化硅)等新材料半导体器件已经成为了行业内备受关注的产品。

在整个功率器件市场上,英飞凌是市占率最高的供应商。目前英飞凌已经形成了三条“cool”系列的产品线:coolSiC,CoolGaN和CoolMOS。三条产品线相互补充,为功率市场提供了完整的解决方案。近期收到疫情影响,全新的650V SiC产品的发布会改为线上召开,英飞凌科技电源与传感系统事业部大中华区开关电源应用高级市场经理陈清源先生,针对SiC市场和新产品技术进行了精彩的分享。

SiC的酷在何处?

据陈清源先生介绍,与传统硅器件相比,SiC的带隙部分是硅材料的大概三倍。所以我们通常将这类器件称之为宽禁带半导体。在单位面积的阻隔电压能力方面,SiC是硅器件的大概7倍。电子迁移率的差距并不大,但是SiC器件的热传导能力是硅芯片的3倍多;电子漂移速度也是硅器件的2倍以上。

“传统的硅器件,产品范围最广,开发时间最久,性价比最高。从性价比的角度出发,硅是首选。”陈清源先生说道,“GaN器件的效率最高、功率密度最大、切换速度最快(MHz级),所以是中低压高性能应用的首选。SiC类功率器件的开关频率比GaN的要慢(kHz级),但SiC适用的电压范围从650V到3.3kV都可以,优势在于易用性和耐高温性能都相对较好。”

如何做业界最“酷”的SiC产品?

我们从英飞凌最新发布的650V CoolSiC MOSFET,来给大家展示一下,英飞凌是如何做出最“酷”的SiC器件的。

“最完整的SiC技术”

CoolSiC系列产品提供了完整的产品图谱来供客户选择,从静态导通电阻的角度来看提供了从27 mΩ到107 mΩ的四款产品,未来也会推出更多封装的形式。在可靠性方面,为了防止“误导通”,英飞凌将V(GS)的设计为4V以上,这样可以免除一些噪音的误导通。在一些特殊的拓扑(例如CCM图腾柱)中,优化了硬换向的体二极管,跟既有的硅体二极管的能力差异明显。另外,为了让传统硅器件的工程师更容易上手SiC的产品,尹飞凌将V(GS)的电压范围也放宽了,在0V电压即可关断V(GS),这样就不会产生负压。这样就不会给整个电路造成负担,给设计人员带来额外的设计的压力。

“沟槽式工艺是未来趋势”

同样的SiC的产品,在保证同样高可靠性的条件下,沟槽式的性能比平面式的更好。未来将SiC这种新材料的性能发挥到极致,英飞凌的CoolSiC系列的产品,一直以来采用了这种沟槽式的加工工艺。据陈清源介绍,传统的平面式的器件在导通状态下,性能和栅极氧化层的可靠性之间要做很大的折衷;沟槽式更容易达到性能要求而不偏离栅极氧化层的安全条件。沟槽式的技术虽然很多家都在做,但是英飞凌已经积累了二十多年的CoolMOS技术,这些技术积累可以确保采用沟槽式的SiC器件在生产良率和可靠性方面都可以维持较高的水准。


持续的高研发资本投入

SiC的市场上,最近已经涌现出了很多的国内外的厂商,他们提供的产品或是具有较好的性能,或是价格极具竞争力。而对于英飞凌而言,SiC是一个长期的布局,从过去几年到未来,英飞凌将持续不断地进行研发资本的投入。因为英飞凌的功率产品线覆盖面比较广,而且在Si的领域已经积累了20多年的经验和销售渠道,所以其实在别的产品线上获得收益也可以用来补充SiC产品线的研发成本的投入。SiC产品的未来的高市场增长率是明确的,所以英飞凌将其视为是一场马拉松,将会持续不断地进行研发工作的投入。一些新晋厂商和小厂商在这方面相比英飞凌有着不小的差距,既要盈利,又要确保新产品的持续研发,保证不出局,还是很有压力的。


以一个数据中心PSU电源的应用来举例(见下图),如果要达到96%的效率,则其可以采用CCM图腾柱和硅的LLC软开关两种结合的方案;如果要将效率提升到98%,则可以采用PFC+SiC的LLC的设计,因为这个SiC的器件的效率是99%,比Si MOS的LLC的效率高,所以整体的PSU电源的效率最终可以提高到98%的水平。所以对于客户而言,选择一个既有硅产品、又有SiC产品线和GaN产品线的供应商而言,在其进行设计的升级的时候可以提供更多的方面,保证自己的设计具有一定的弹性。



SiC产品的市场需求目前非常大, 根据IHS的预估,今年会有近5000万美元的市场份额。再往后到2028年,市场份额会达到1亿6000万美元。市场的蓬勃发展,带来了更多的机遇,未来英飞凌也会持续投入,推出更多的SiC的新品,让我们拭目以待。

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