碳化硅（SiC）材料擁有更大的禁帶寬度，更高的臨界擊穿場強和熱導率等優異的材料特性，使得碳化硅電力電子器件具有更高的阻斷電壓，更大的輸出功率、更高工作頻率及更高得工作溫度等性能優勢，可以大幅減小設備體積與重量，降低損耗。

 

近日，2021功率半導體與車用LED技術創新應用論壇在上海舉行。本屆論壇由半導體產業網和勵展博覽集團共同主辦，并得到第三代半導體產業技術創新戰略聯盟、國家半導體照明工程研發及產業聯盟的指導。

會上，中電南方國基集團有限公司高級工程師李士顏帶來了“功率碳化硅 MOSFET芯片及模塊研究進展及應用”的主題報告，分享了功率SiC器件的市場機遇、國際現狀，芯片及模塊研究進展，主要應用挑戰與未來展望。

 

功率SiC具有高禁帶寬度、擊穿場強、熱導率、電子漂移速度等材料特性，器件具有高擊穿電壓、開關頻率、工作溫度、功率密度等優勢，其轉換效率、尺寸重量、系統工作頻率等系統功能在提升。

 

功率SiC在新能源汽車應用涉及充電樁、車載充電器，電機控制器等，具有體積減小，重量降低，工作頻率提高，逆變器效率提升等應用優勢，未來在提高續航能力、提升空間利用率，降低系統成本等方面有市場前景。目前，蘇州3號線軌道交通，采用全SiC驅動模塊，即將正式運營。日本和德國高鐵公司將SiC驅動作為全球 “逐鹿”的關鍵技術。Yole預測，到2025年鐵路SiC營收將增長到1.18億美元，年復合增長率達到55%。

 

功率SiC技術成熟度快速提升，SiC SBD和SiC MOSFET已商品化 ，超越“概念驗證”階段。

在電源、光伏領域的應用規模進一步擴大，處于快速增長期，可靠性及成本達到EV、軌道交通等應用要求，逐步進入成熟期。

 

產業初具規模，2019年產品銷售超過5億美元，高端應用正逐步替代硅器件。市場規模快速增長，年增長率~30%，2027年超過100億美元。生產規模不斷擴大，國際已6英寸平臺為主，并向8英寸產線升級。

 

功率SiC器件的國際現狀來看，平面型SiC MOSFET、溝槽型SiC MOSFET等方面都有進展，其中，SiC肖特基二極管產品系列化，SiC MOSFET成熟度提升迅速，國際上10余家公司量產SiC MOSFET系列產品，擊穿電壓650- 1700V，單芯片導通電流最高達100A以上。

 

國內SiC芯片及模塊研究方面，SiC外延材料自主保障、功率SiC器件生產線方面，寬禁帶半導體電力電子器件國家重點實驗室凈化面積4000m2，供貨能力超過3萬片/年，650V-1700V SiC二極管和MOSFET量產，3300V-15kV SiC器件技術平臺。新型功率模塊生產線方面，2014年55所成立國揚電子公司，專業從事以SiC為代表的新型半導體功率模塊的研制和批產。產品包括IGBT模塊、SiC混合功率模塊、SiC MOSFET功率模塊等，年產各類功率模塊150萬塊。

 

報告還分享了中低壓SiC MOSFET芯片量產攻關、車用1200V/600A SiC功率模塊、車用1200V/600A SiC功率模塊、6.5kV SiC DMOSFET、6.5 kV器件閾值電壓穩定性、6.5kV400A SiC MOSFET模塊、6.5kV 模塊開通損耗優化、10kV SiC MOSFET芯片研制、10kV100A SiC MOSFET模塊等技術進展。

 

李士顏表示，當前功率SiC器件應用，存在著SiC MOSFET器件應用成本挑戰、單芯片電流限制，多芯片并聯挑戰等。展望未來國際上SiC功率器件市場化應用速度提升，在電動汽車、電源、軌道交通等領域的應用將進入爆發期，市場產值將急劇擴張，國內SiC功率器件迅速布局，技術進步迅速，自主芯片國產替代前景廣闊。大尺寸SiC襯底、SiCMOSFET技術成熟度仍需提高，SiCMOSFET器件應用技術提升是SiC市場的重要牽引。