碳化硅與第三代半導(dǎo)體的淵源
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碳化硅與第三代半導(dǎo)體的淵源
碳化硅屬于第三代半導(dǎo)體材料，與普通的硅材料相比，碳化硅的優(yōu)勢非常突出，它不僅克服了普通硅材料的某些缺點，在功耗上也有非常好的表現(xiàn)，因而成為電力電子領(lǐng)域目前最具前景的半導(dǎo)體材料。正因為如此，已經(jīng)有越來越多的半導(dǎo)體企業(yè)開始進(jìn)入SiC市場。
碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）、氮化鋁（ALN）、氧化鎵（Ga2O3）等，因為禁帶寬度大于2.2eV統(tǒng)稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料，在國內(nèi)也稱為第三代半導(dǎo)體材料。
人類歷史上第一次發(fā)現(xiàn)碳化硅是在1891年，美國人艾奇遜在電溶金剛石的時候發(fā)現(xiàn)一種碳的化合物，這就是碳化硅首次合成和發(fā)現(xiàn)。隨后各國科學(xué)家經(jīng)過深入研究之后，終于理清了碳化硅的優(yōu)點和特性，并且發(fā)明了各種碳化硅的長晶技術(shù)，產(chǎn)業(yè)研究前后長達(dá)70多年。2001年的時候英飛凌就做出了第一只碳化硅二極管，然后Cree，羅姆，ST等公司也相繼進(jìn)入碳化硅領(lǐng)域，做出了碳化硅二極管，三極管，MOSFET管等，有少量科研機(jī)構(gòu)用研發(fā)過碳化硅IGBT結(jié)構(gòu)，但是IGBT結(jié)構(gòu)的一時半刻找不到應(yīng)用場景。以前大家都知道碳化硅很好，但是問題也很多，第一長晶技術(shù)不成熟，晶體內(nèi)缺陷太多，嚴(yán)重影響良率和穩(wěn)定性，可靠性；其次是不知道應(yīng)用場景，因為碳化硅器件雖然性能強(qiáng)，但是太貴，找不到一個很適合的商業(yè)落點。但是這一切都被特斯拉改變，特斯拉是業(yè)內(nèi)第一個提出使用碳化硅替代硅的車企，并且大膽用到特斯拉的毛豆3上，隨后其他車廠紛紛效仿，碳化硅迎來大規(guī)模上車的階段，因此業(yè)內(nèi)認(rèn)為碳化硅發(fā)展元年是在2019年，特斯拉這一大膽的舉動，拉開了碳化高速發(fā)展的序幕。
在半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)從材料端分為：第一代元素半導(dǎo)體材料：如硅（Si）和鍺(Ge)；第二代化合物半導(dǎo)體材料：如砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等；第三代寬禁帶材料：如碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氮化鋁（ALN）、氧化鎵（Ga2O3）
禁帶寬度物理意義是實際上是反映了價電子被束縛強(qiáng)弱程度的一個物理量，也就是產(chǎn)生本征激發(fā)所需要的最小能量，自由電子獲得足夠的能量后能躍遷到導(dǎo)帶，這個能量最小值就是禁帶寬度。
禁帶寬度直接決定著器件的耐壓和最高工作溫度，因此禁帶寬度大的材料更適合高溫高壓場景。相比之下硅禁帶寬度只有1.12eV，碳化硅有三倍于硅的禁帶寬度，因此承受同樣電壓的器件，碳化硅器件的面積要比硅器件小的多，只有1/10，電壓越高面積比越明顯，或者說同樣面積下，碳化硅的耐壓比硅強(qiáng)很多。
1、寬禁帶半導(dǎo)體材料的禁帶寬度大，擊穿電場強(qiáng)度高，大大增加了寬禁帶器件能夠承受的峰值電壓，器件的輸出功率可以大大提高；2、寬禁帶材料具有高導(dǎo)熱性、高化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點。使功率器件能夠在更惡劣的環(huán)境下工作，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性;3、寬禁帶材料具有優(yōu)異的抗輻射能力。在輻射環(huán)境下，寬禁帶器件的輻射穩(wěn)定性比硅器件高10~100倍，是制作耐高溫、抗輻射的大功率微波功率器件的優(yōu)良材料。4、由于寬禁帶半導(dǎo)體器件的結(jié)溫較高，它們可以在冷卻條件差、熱設(shè)計保證差的環(huán)境中穩(wěn)定工作。其中半絕緣型碳化硅上主要是長氮化鎵外延層制造用于射頻和光電器件，導(dǎo)電型碳化硅襯底上長同質(zhì)碳化硅外延層用來做功率半導(dǎo)體，兩者材料應(yīng)用有區(qū)別。特別是碳化硅基氮化鎵，因此氮化鎵襯底實在太貴了，而且碳化硅和氮化鎵有非常優(yōu)異的晶格匹配度超過95%，因此碳化硅上能長出高質(zhì)量的氮化鎵外延層，因此氮化鎵外延片把碳化硅當(dāng)做最好的襯底。
四、碳化硅功率器件的電氣性能優(yōu)勢：
1. 耐壓高：臨界擊穿電場高達(dá)2MV/cm(4H-SiC)，因此具有更高的耐壓能力(10倍于Si)。2. 散熱容易：由于SiC材料的熱導(dǎo)率較高(是Si的三倍)，散熱更容易，器件可工作在更高的環(huán)境溫度下。理論上，SiC功率器件可在175℃結(jié)溫下工作，因此散熱器的體積可以顯著減小。3. 導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗低：SiC材料具有兩倍于Si的電子飽和速度，使得SiC 器件具有極低的導(dǎo)通電阻(1/100 于Si)，導(dǎo)通損耗低；SiC材料具有3倍于Si 的禁帶寬度，泄漏電流比Si 器件減少了幾個數(shù)量級，從而可以減少功率器件的功率損耗；關(guān)斷過程中不存在電流拖尾現(xiàn)象，開關(guān)損耗低，可大大提高實際應(yīng)用的開關(guān)頻率(10 倍于Si)。4. 可以減小功率模塊的體積：由于器件電流密度高(如Infineon 產(chǎn)品可達(dá)700A/cm)，在相同功率等級下，全SiC 功率模塊(SiC MOSFETsSiC SBD)的封裝尺寸顯著小于Si IGBT 功率模塊。
肖特基二極管的主要缺點是反向電流相對較大。由于它的金屬-半導(dǎo)體結(jié)，當(dāng)電壓反向連接時，更容易產(chǎn)生泄漏電流。此外，肖特基二極管往往具有較低的最大反向電壓。它們的最大值往往為50V或更低。請記住，反向電壓是指當(dāng)電壓反向連接（從陰極到陽極）時，二極管將擊穿并開始傳導(dǎo)大量電流的值。這意味著肖特基二極管不能承受很大的反向電壓而不擊穿和傳導(dǎo)大量電流。即使在達(dá)到最大反向值之前，它仍會泄漏少量電流。根據(jù)電路的應(yīng)用和使用，這可能被證明是重要的或不重要的。
根據(jù)市場調(diào)研的數(shù)據(jù)，2021年碳化硅功率器件的市場規(guī)模超過10億美元，并預(yù)計到2025年，這個數(shù)字將超過37億美元，年復(fù)合增長率（CAGR）超過34%。另一家知名產(chǎn)業(yè)研究機(jī)構(gòu)也做出了類似的判斷，認(rèn)為化合物半導(dǎo)體功率器件的市場規(guī)模將從2021年的9.8億美元，成長至2025年的47.1億美元。碳化硅占據(jù)主要份額，2025年預(yù)計達(dá)到34億美元，略低于另一家的預(yù)測。而在碳化硅功率器件的應(yīng)用領(lǐng)域中，新能源汽車是重中之重，2021年采購量占全部用量的三分之二，之后這一比例還將逐漸提升，在2025年達(dá)到76%。現(xiàn)在IGBT市場一年全球大約是80-110億美金，如果按照我的設(shè)想，降低到750美金的成本，吃掉增量市場就是30%，就有30多億美金了，如果降低到550億的成本， 能吃到存量市場至少要占50%以上，那是50多億美金。我認(rèn)為碳化硅會一直卷硅的IGBT/MOSFET，卷到到低于2000w產(chǎn)品，卷不動為止，這至少有50%以上了，所以碳化硅干到50億美金的市場規(guī)模，我覺得未來是很有可能的。
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