以SiC为代表的第三代半导体大功率电力电子器件成为行业重点关注的方向

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随着人口激增加之城市化进程加快,气候及资源紧缺问题日益严峻。与此同时,数字化转型带来更大的运算量和数据处理。更加高效地利用能源成为社会发展的迫切需求。

正因为此,以SiC为代表的第三代半导体大功率电力电子器件成为行业重点关注的方向。据了解,SiC材料具有众多优异的物理性质,如禁带宽度大(接近于Si的3倍)、器件极限工作温度高(可以高达600℃)、临界击穿电场强度大(是Si的10倍)、热导率高(超过Si的3倍)等,被认为是用于高电压、高频率功率器件的理想材料。

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行业巨头加紧布局 SiC时代已经到来

虽然拥有众多优势,但是SiC材料并不是一项全新技术。其实早在20世纪60年代SiC器件已经引起了人们的兴趣。相对于Si基半导体材料成熟的产业链,SiC材料产业链需要全新的布局,在外延生长、生产设备、可靠性、缺陷密度、成本等方面都面临着巨大挑战,这也是SiC并未大规模应用的主要原因。

自2016年以来,业内关于SiC材料的讨论又迎来了新一轮高潮。

从技术节点来看,以英飞凌、科锐、罗姆、意法半导体等为代表的企业已经先后解决SiC器件良率问题,并成功推出了各类器件及模块,并在光伏及电源领域取得了成功应用。

在产能方面,包括科锐、新日铁住金、SiCrystal等上游晶圆供应商,在2014年先后实现了6英寸晶圆量产供货。基于晶圆外延工艺的持续改进,加之6英寸上游晶圆开始放量供货,为SiC器件的大规模应用奠定了基础。

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在企业布局方面,2016年英飞凌以8.5亿美元收购了总部位于美国北卡罗莱纳州的Cree公司旗下wolfspeed资产。wolfspeed是业内唯一可以提供SiC功率和GaN射频方案最广泛产品线的公司。通过此次收购,英飞凌进一步完善了在SiC技术方面布局。另一方面,英飞凌与科锐已经签署战略性长期供货协议,保证了SiC器件上游晶圆产能供应。目前,已经推出CoolSiC™ MOSFET、CoolSiC™ 肖特基二极管、CoolSiC™ MOSFET栅极驱动IC产品。

基于技术和产能方面不断提升,英飞凌科技(中国)有限公司大中华区工业功率控制事业部副总裁于代辉认为:“SiC时代已经到来,这是非常肯定的。凭借15年以上的研发生产经验,英飞凌致力于和产业链伙伴一起推进SiC器件普及应用。”

“在经过几十年发展之后,IGBT器件已经难有质的飞跃,SiC器件将是必然方向”。于代辉进一步表示:“据行业研究公司Yole数据显示,2022年全球SiC市场将突破10亿美元。虽然说市场总量并不大,但是SiC器件在未来具有很大的应用空间,比如高铁、智能电网、风电等领域。”

应用领域不断扩展 成本仍是一道坎

在下游应用方面,传统的光伏逆变器普遍采用IGBT器件。但由于拖尾电流的影响,且开关频率难于提升。为此,采用SiC材料的MOSFET器件率先在光伏逆变器领域打开局面。由于SiC器件漏电流小,高温耐受能力更强,可大幅度降低散热器体积和重量,提升功率密度,从而降光伏低逆变器成本。

英飞凌科技(香港)有限公司马国伟博士认为,SiC器件之所以在光伏逆变器领域成功应用,最主要的原因在于IGBT器件已经无法满足要求,厂商必然会过渡到SiC器件。而在其他应用领域,SiC器件成本问题仍然是客户考虑的重要因素,比如UPS/SMPS领域,其对于器件成本相比比较敏感。

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对此,于代辉也进一步解释道:“SiC器件的推广普及需要综合考虑效率及成本问题。虽然但从价格方面来看,SiC器件成本普遍要高3-5倍。但是,SiC器件能够大幅度降低相关器件的需求量及体积,从而大幅度降低系统成本。因此,SiC器件成本并不是简单的价格问题。在市场推广过程中,需要产业链上下游积极配合。”

目前,SiC器件已经在光伏逆变器领域获得成功应用,并逐渐向UPS/SMPS领域推广应用,电动汽车充电桩将成为下一个重要应用方向。未来将在牵引、电动车辆及电动驱动等领域获得广泛应用。

由于我国正成为电动汽车全球主要制造国及消费国,SiC器件需求量将大幅提升。为此,英飞凌也进一步加大中国市场的布局。对此,于代辉认为:“中国制造2025战略规划的实施,大幅度推动产业升级,这也为SiC器件应用带来了全新机遇。”

我国正加紧布局 还有一定的差距

“相对于传统的Si器件,在SiC器件方面新入局者仍有一定机会”。马国伟博士认为:“虽然说SiC器件已经发展了几十年,但是产业仍处于起步阶段,对于大家来说机会都是均等的。”

目前,在以SiC和GaN为代表的第三代半导体材料研究和部署方面,美、日、欧仍处于世界领先地位。由于其未来战略意义,我国对于第三代半导体材料器件研发正进行针对性规划和布局。其中“十三五”国家科技创新规划中也将其作为重点突破方向。

与此同时,2016年“高压大功率SiC材料、器件及其在电力电子变压器中的应用示范”国家重点研发专项启动,旨在开展高压大容量SiC 功率器件和模块封装关键技术等五方面的研究,其中6500V/400A SiC模块以及相应电力电子变压器在国际尚无研发先例。项目的顺利实施将使我国率先实现碳化硅材料在电力系统中的应用,占领国际制高点,对于推进智能电网建设,保障我国能源安全和推进全球能源互联网具有重大意义。另外,福建、广东、江苏、北京、青海等27个地区都出台了第三代半导体相关政策。   

近期,在国家863计划支持下,中国电子科技集团公司第四十八研究所牵头的课题组成功研制出适用于4-6英寸SiC材料及器件制造的高温高能离子注入机、单晶生长炉、外延生长炉等关键装备并实现初步应用。

但从技术方面来看,我国与国外先进水平仍有一定的差距。在长晶工艺方面,我国4英寸SiC单晶产品仍未达到国际标准。目前,我国第三代半导体电力电子器件仍主要依赖于进口。

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