碳化硅崛起前夜（上） - 联盟动态中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟

2019年，保时捷Taycan横空出世，首次将电动汽车的电压等级提升至800V，同时计划在2021年将充电功率提升至350kW水平。

2020年，美国汽车制造商Lucid更是宣称其首款车型Lucid Air的平台电压将达到900V，最高充电功率可达300kW。

在以400V-600V为主流电压的当下，一些先行者已经大步跨越进800V+时代。

更高的电压平台，需要更适合的材料去支撑，来实现更高的效率。

可以说，第三代半导体材料SiC（碳化硅），是打开电动车800V平台大门的钥匙。

对于电动车来说，SiC意味着更高效的电能转换效率，更高的续航里程，更高的充电效率。

而作为尚未大规模应用的功率器件，SiC也代表着更高的成本，以及有待验证的长期可靠性。

在电动车领域，成本和可靠性都是非常重要的命题，需要通过规模和时间来覆盖。

而作为未来最大的应用场景，只有当电动汽车大规模普及，SiC功率器件的时代才会真正到来。

一

目前绝大多数的半导体器件和集成电路都是由硅制作的，出色的性能和成本优势让硅在集成电路等领域占有绝对的优势。

在电力电子领域，硅基器件在低压、低频、中功率等场景，应用也非常广泛。但在一些高功率、高压、高频、高温等应用领域，硅基器件的表现较为吃力。

功率半导体本质上起到的是开关作用，在实际应用中可通过多个功率开关组合，控制拓扑电路中电流的开闭、流向、大小，进而通过调速、调频对执行部件进行控制和驱动。

不同材料，如Si、SiC，不同类型的功率器件，如MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, 金属-氧化物半导体场效应晶体管）、IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）分立器件或模块等，均有其适合的工作电压、功率和开关频率范围。

在绝大多数场景下，硅基IGBT和超级结MOSFET是高压大功率器件的主要选择，但在性能和效率上，以SiC为代表的第三代半导体，更具有优势。

当前，SiC电力电子器件市场的主要驱动因素是直流充电桩和光伏应用中大规模采用的SiC二极管。

在直流快充桩上，充电模块对高频、高压、耐高温的要求较高，这正是SiC器件的优势所在。

英飞凌大中华区工业功率控制事业部市场高级经理陈子颖近期在接受媒体采访时表示，采用英飞凌开发的SiC单管，充电模块的功率可以达到30 kW 以上，而采用Si基MOSFET/IGBT单管的充电模块功率在15-30 kW。

由于单模块的功率明显提升，同样是150kW的快充桩，采用SiC器件所需要的充电模块数量减少，可以大幅降低充电桩的体积，同时SiC材料也能减小对散热的依赖，进而在结构上更有优势。

根据CASA测算，2018年充电桩中SiC功率器件的渗透率达到了10%左右，并且正在快速增长中。

在光伏逆变器领域，SiC光伏逆变器效率可以达到99%，能量转换损耗可以降低50%以上，可极大降低逆变器的成本和体积。

在这些商业运营领域，SiC因为具有更高的能量转换效率，可以实现更高的商业价值，因此被广泛接受。

而在未来3-5年内，SiC器件则有望在电动汽车上，特别是主驱逆变器上广泛应用。

目前，普通乘用车电压平台以400V-600V为主，多采用功率80-150kw及以上的交流驱动电机，要求逆变器中功率器件至少能够承受400V/500A的工作电压和电流，并维持良好的温度稳定性。

硅的工作温度不能超过125度，超过125摄氏度后PN结将失效，而SiC的工作温度可以提升至350度。相对于硅基IGBT在高温下效率大幅下降，SiC MOSFET在200度仍能维持正常效率表现。

凭借着碳化硅的高频、耐高温特性，可以使电机更快、更紧凑、更轻便，从而效率更高、续航里程更高。

例如在2016年的FE第三赛季上，Venturi 车队采用了罗姆打造的SiC功率模块。

在使用了SiC SBD（肖特基二极管）和Si基的IGBT组成的混合模块之后，逆变器模块的重量从15kg下降至13kg，体积降低了19%。

2017年的第四赛季时，赛车使用了SiC MOSFET和SiC SBD组成的全SiC功率模块之后，重量降低至9kg，体积相对于最初降低了43%。

全SiC功率模块可以明显降低器件的重量及尺寸。

SiC器件在高压、大功率、高温环境下的优势，来源于其材料特性。

二

在材料上，SiC相对于硅材料的主要优势在于：

1、耐高压，击穿场强是Si的10倍，同样电压等级的SiC MOS晶圆的外延层厚度只需要Si的十分之一，禁带宽度是Si的3倍，导电能力更强；

2、耐高温，热导率及熔点非常高，是Si的2-3倍；

3、高频，电子饱和速度是Si的2-3倍，能够实现10倍的工作频率。

在器件层面，根据半导体厂商罗姆的总结，SiC器件相对于Si器件的主要优势来自三个方面：

1、极小的通态电阻，进而缩小芯片的面积，SiC功率模块的尺寸可达到Si的1/10左右。

2、更高的工作频率可以实现高速开关，进而有效降低电感、电容等被动元器件的尺寸，周边元件的尺寸更加小型化。

3、更耐高温，SiC的禁带宽度更高，相应的本征温度可高达800度，另外，SiC材料的热导率更高，散热系统的设计更简单，或者直接采用自然冷却。

另外，SiC在实际应用上的一个更重大的意义在于，可以通过制备SiC MOSFET器件，应用于高压领域，来实现更低的损耗。

在高压大功率领域广泛应用的IGBT是双极型器件，在关断时存在拖尾电流，造成比较大的关断损耗。而MOSFET是单极器件，不存在拖尾电流，当使用SiC材料制备MOSFET时，器件的导通电阻、开关损耗大幅降低。

这里简单介绍一下MOSFET和IGBT的优劣势。

MOSFET的开关时间较短，响应速度更快，在频率要求更高的领域，相对于IGBT更有优势，但Si基MOSFET的并不适用于大功率器件。

IGBT可以支持高压，非常适合逆变器这种高压、大电流、大功率的应用场合，但在高频的场景上，劣势明显，并且开关损耗明显大于MOSFET。

据罗姆介绍，其采用了SiC-SBD、SiC Trench MOSFET的全SiC功率模块，相对于同等参数（1200V 180A）的Si基IGBT模块，开关损耗降低77%。

在电动汽车上，SiC器件主要有三大应用场景：车载OBC（车载充电机）、DC/DC（直流转换器）以及主驱逆变器。

OBC是将电网中的交流电进行整流、整压来为电池充电，中低端车型的OBC功率多为单相3.7 kW、7.4kW，部分中高端车型已开始采用三相11kW、22kW的OBC功率配置。

DC/DC是将电池包几百伏的电压转换为车载电器所需的低压电源。

OBC和DC/DC均是功率不高但频率要求高的零部件，而频率高正是SiC的强项。

在OBC上使用SiC器件，能够缩短充电时间，减少电能损耗；DC/DC采用SiC器件，体积变小，损耗下降。

对于主驱逆变器来说，根据上述介绍，采用SiC器件，可以帮助提高续航里程，进而可以通过减小电池容量，来降低成本。

半导体厂商科锐（Cree）曾做过一个测算，SiC可以使800V逆变器的损耗降低40-70%，进而提升5-10%的续航。

按照一块80kwh的电池计算，102美元/kWh的电池成本下，使用SiC逆变器相当于节省了400-800美元的电池成本，与新增200美元的SiC器件成本抵消后，整体上实现了200美元的单车降本。

能量损耗变低、体积变小、重量变轻、对散热的要求变低，在新能源汽车上最显而易见的结果就是续航的提高。

随着对轻量化、续航里程，以及对快充的追求，基于SiC材料的功率器件正在成为越来越多车企的选择。

尽管SiC的未来前景看起来非常美好，但目前还处于非常早期的阶段。

综合参照Yole以及IHS Markit的数据，2019年SiC电力电子器件的市场规模约为5.07亿美元。

据Yole统计，SiC电力电子器件的渗透率还不到2%。

SiC如果要主导功率市场，还有巨大的鸿沟要跨越。

三

SiC的莫氏硬度为9.3，仅次于世界上最硬的金刚石（10）。

拖累SiC大规模应用的也正是其材料特性。

碳化硅根据电阻率不同有两种衬底类型：导电型衬底、半绝缘型衬底，可以分别用于功率和射频领域。如果是导电型衬底，在制备碳化硅外延后，可加工成功率器件，用于新能源汽车、风电、光伏等领域；如果是半绝缘型衬底，配合GaN外延，可以制备射频器件，用于5G等领域。

图片来源：中信证券

功率型SiC器件的主要制造步骤如下：

1、SiC粉料经过高温升华之后形成SiC晶锭；

2、对SiC晶锭进行粗加工、切割、研磨、抛光，得到SiC衬底；

3、在衬底上SiC衬底生长SiC外延层；

4、通过掺杂、刻蚀、氧化、金属化等工艺，来制备相应器件所需要的晶圆；

5、器件封测。

与集成电路所采用的先进工艺不同，功率器件对于线宽等没有特别苛刻的要求，SiC器件的制备难点主要在于衬底和外延环节，这一点从成本上也能看出来。

衬底、外延、晶圆、器件，是最关键的四大环节。根据基本半导体的统计，以碳化硅材料二极管的成本为例，在这四个环节中，衬底的成本是50%，外延是25%，晶圆环节20%，封装测试5%。

图片来源：基本半导体

根据基本半导体总结，SiC在生产制造上的困难和挑战主要在于：

1、相比于Si的拉单晶生长，碳化硅的单晶需要更高的温度和更复杂的生长方法。

SiC有多达250余种同质异构体，4H-SiC因为其较高的载流子迁移率，能够提供较高的电流密度，一般用于制作功率半导体的主要是4H-SiC单晶结构。在2000-2700度高温下，4H、6H、15R、3C、8H等晶型共存，在生长SiC单晶时，如果不做精确的控制，将会得到其他的SiC晶体结构，4H-SiC的晶型生长窗口较小。

2、Si单晶的生长速度约为300mm/h，碳化硅单晶的生长速度约为400um/h，两者差了近800倍。

3、SiC晶锭的长度比硅短得多，大约只有20-50mm。

4、质量方面，碳化硅位错密度远高于硅、砷化镓等材料。本身还存在一些较大的应力，导致面型参数还有些问题。这些问题会降低外延材料的质量，降低器件的制造良率，影响期间的可靠性和寿命。

非常慢的生长速度以及主流尺寸只有4-6英寸，决定了碳化硅的衬底价格远高于硅衬底。

成本问题是碳化硅普及的最大问题，需要更加成熟的生长技术，来扩大它的尺寸，以降低价格。

在良率方面，基平面位错将会进一步影响外延，外延的很多缺陷基本上都是从衬底中直接复制过来的，衬底的质量、加工水平对于外延生长来说，是非常重要的，尤其是缺陷的控制。

一些致命性缺陷，例如三角形缺陷、滴落物，对所有的器件类型都有影响，包括二极管、MOSFET等，影响最大的就是击穿电压，它可以使击穿电压减少20%，甚至跌到90%。

良率问题本质上也是成本问题，价格贵是SiC普及的最大拦路虎。

长期可靠性，是SiC面临的又一大障碍。

与集成电路换代速度较快不同，功率器件的使用寿命较长，换代时间较慢，对可靠性要求极高。

在消费、工业、汽车等领域，汽车产品的要求是最苛刻，标准是最高的。

在当前消费、工业领域尚未开始大规模采用SiC之前，汽车产品采用SiC器件，缺乏足够的数据和验证。