如何突破功率半导体器件性能天花板?

碳化硅功率器件的未来趋势是朝着尺寸缩小的方向发展。

深圳市森国科科技股份有限公司董事长杨承晋在2023第四届第三代半导体产业发展高峰论坛中，作了《碳化硅功率器件的应用机会及未来》的主题演讲。

杨承晋董事长主要围绕碳化硅功率器件、碳化硅器件的未来应用做了分享。

 碳化硅材料优势

相对于第一代（硅基）半导体，第三代半导体禁带宽度大，电导率高、热导率高。第三代半导体的禁带宽度是第一代和第二代半导体禁带宽度的近3倍，具有更强的耐高压、高功率能力。

碳化硅更适合作为衬底材料。在高压和高可靠性领域选择碳化硅外延，在高频领域选择氮化镓外延。

碳化硅衬底器件体积小。由于碳化硅具有较高的禁带宽度，碳化硅功率器件可承受较高的电压和功率，其器件体积可变得更小，约为硅基器件的1/10。碳化硅器件电阻更小。同样由于碳化硅较高的禁带宽度，碳化硅器件可进行重掺杂，碳化硅器件的电阻将变得更低，约为硅基器件的1/100。

碳化硅衬底材料能量损失更小。在相同的电压和转换频率下，400V电压时，碳化硅MOSFET逆变器的能量损失约为硅基IGBT能量损失的29%-60%之间；800V时，碳化硅MOSFET逆变器的能量损失约为硅基IGBT能量损失的30%-50%之间。

碳化硅器件特性

碳化硅器件在具体应用场景中表现出的特性是:1、耐高温:硅基材料120°C场景需要散热，使用SiC在175°C结温不需要散热，可承受600°C以上高温环境。2、高压大功率:二极管600-1700V，MOS管800-3300V，如新能源车直流快充仅15分钟可完成80%。3、高频率:能量损耗减少了四分之三，转化率高，如提升了新能源车5%-10%续航能力。4、小体积:因为阻抗小，同性能的碳化硅器件尺寸缩小到硅基的十分之一，模组尺寸更大幅缩小。未来在高压、高频、大功率、环境恶劣的场景下，碳化硅器件将逐渐替代硅基器件。

如何突破功率半导体器件性能天花板?

为了突破功率半导体器件性能天花板，需要发力的几个点是：高耐压:在大功率应用中，耐压能力是一个重要的硬指标；高频率:更高的开关频率不仅能够提升功率器件自身的性能，还能够带来一个明显的优势，就是允许使用更小的外围元件，进而减小系统整体的尺寸；高可靠:由于要承载更高的功率密度，所以功率器件需要耐高温，具有更高的热稳定性，以及对抗过流过压等瞬变的能力。低功耗:影响功率器件功耗的因素有很多，以一个功率二极管为例，其功耗主要包括与反向恢复过程相关的开关损耗、与正向压降 VF相关的正向导通损耗，以及反向漏电流带来的反向损耗。

根据Yole预测，预计到 2027 年,SiC 器件市场将从 2021 年的 10 亿美元业务增长到 60 亿美元以上，主要包括新能源汽车、泛新能源市场。

碳化硅的应用

碳化硅应用-新能源汽车

新能源汽车从400V平台向800V平台跃迁已是业内共识，可使汽车电池在10分钟内充满80%电量，解决“里程焦虑”和“充电焦虑”。SiC逆变器使得电源频率增加，电机转速增加，相同功率下转矩减小，体积减小。800V 架构时代来临，SiC 在高压下较IGBT 性能优势更为明显，损耗降低度更大。SiC 在新能源车主逆变器及 OBC 中渗透率将快速提升。

如今新能源汽车使用碳化硅器件已经蔚然成风：

2018年特斯拉从Moldel 3开始大规模采用SiC功率器件。2019年，保时捷率先量产800V高电压平台电动车Taycan，其最大充电功率可达270kW。2020年，现代集团发布E-GMP平台，搭载400V/800V超高压充电系统，可实现充电5分钟续航100km。2021年，奥迪发布PPE平台的A6e-tron概念车，搭载800V高压电气系统。2021年，比亚迪发布e平台3.0，该平台具备800V高压闪充技术，最高可实现充电5分钟续航150km。2021年，北汽极狐发布极狐aSHi版，具备800V 充电架构，实现10分钟补充196公里续航的电量。2021年10月，小鹏汽车公布首个量产的800V高压SiC平台，充电5分钟最高可补充续航200公里。

碳化硅应用-光伏逆变

预计到2025年时，全球光伏新增装机量有望增加至287GW，2019-2025年间复合增长率为16.40%。其中逆变器市场需求将大幅增长。

SiC MOSFET或SiC MOSFET+SiCSBD模组的光伏逆变器能将转换效率由96%提升至99%以上，能量损耗可降低50%以上，设备循环寿命提升50倍。对于100kW的太阳能逆变器，其平均需要30-50颗SiC器件。二极管与三极管比例在4:1与5:1之间。据CASA预测，2025年光伏逆变器中SiC器件价值占比将增长至50%。

碳化硅应用-储能

2021-2025年电力系统用储能装机需求分别为 117、190、274、367和507GWh，需求年平均增速约为83.34%。2021年储能逆变器(PCS)和能量管理系统(EMS) 价格按照0.8元/W计算，2025年每年价格下降8%，则分别为234、349、463、571、726亿市场空间。其中功率器件占比5%左右，将有11.7亿、17.5亿、23.1亿、28.5亿、36.3亿的市场机会。

碳化硅应用-充电桩

2020年，全球充电桩市场规模达到了1925.32百万美元，预计2027年将达到5923.22百万美元，年复合增长率(CAGR)为16.84%。中国2020年市场规模为1131.52百万美元，预计2027年将达到3247.44百万美元，年复合增长率(CAGR)为15.63%。中国电动汽车充电基础设施促进联盟统计，载至2022年3月，联盟内成员单位总计上报公共类充电桩123.2万台，其中直流充电桩50.2万台。从2021年4月到2022年3月，月均新增公共类充电桩约3.2万台。

随着新能源汽车从400V向800V跃迁，直流充电采用的是高电压大功率充电，电压从1000V向1400V演进，并开始采用SiC MOS模块，功率达到30-40KW。

SiC功率器件的未来

提高器件的可靠性和效率

1、提高材料质量和工艺稳定性:碳化硅功率器件生产过程中需要控制材料质量和工艺稳定性，尤其是在制造高质量晶体时。此外，还需要采用先进的微细加工技术，提高器件的精度和一致性，从而提升器件的可靠性和效率。

2、优化设计和结构: 在碳化硅功率器件设计方面，需要考虑材料的特性和应用场景的要求，选择最优的结构和参数。同时，还需要通过设计优化减少能量损失和热效应，优化器件的电热特性和稳定性。

3、改进封装技术:碳化硅功率器件的封装方式对器件的性能和可靠性影响很大。因此，需要优化封装材料和结构，提高温度承受能力和抗电气应力能力。此外，还需要采用先进的封装工艺，提高封装可靠性和耐久性。

器件尺寸缩小

碳化硅功率器件的未来趋势是朝着尺寸缩小的方向发展。针对此趋势，可以从以下方面进行更深入的探讨：

1.更小的芯片尺寸

碳化硅器件尺寸的缩小，可以通过采用更先进的制造工艺来实现，目标是在不增加器件大小的情况下提高芯片功率密度和效率。随着尺寸的缩小，碳化硅器件的电路集成度不断提高。高集成度的器件可以带来更低的损耗和更小的体积，同时也可以实现更高的性能。

2.更高的工作温度

碳化硅器件的尺寸缩小还可以降低器件的热阻，使得器件能够在更高的温度下正常工作。这对于一些高温工作条件下的应用非常有益，例如航空航天、军事和汽车行业等。

降低成本

碳化硅功率器件随着市场规模的快速增长，降低成本是未来大趋势，可以从以下方面进行更深入的探讨：

更大尺寸的衬底，比如6寸到8寸；更高效的村底长晶效率，大幅度提升良率;更低损耗的水冷激光切割;更高效的外延生长效率;进一步扩大晶圆代工的生产规模，以规模化降低生产成本。

编辑：黄飞