【极智课堂】李士颜：碳化硅功率器件新能源汽车应用及展望
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当前，新型冠状病毒仍在持续，对产业及企业造成了一定程度的影响，也牵动着各行各业人们的心。在此形势下，中睿照明网、极智头条，在国家半导体照明工程研发及产业联盟、第三代半导体产业技术创新战略联盟指导下，开启疫情期间知识分享，帮助企业解答疑惑。助力我们LED照明企业和产业共克时艰！ 本期，我们邀请到中国电子科技集团第五十五研究所高级工程师、博士李士颜带来了“碳化硅功率器件之新能源汽车应用及展望”的精彩主题分享，以下为主要内容： 1.新能源汽车，SiC产业机遇 SiC作为近年来备受市场关注的第三代半导体材料，相对于传统的硅材料，其高禁带宽度高热导率、高电子偏移速率等材料优势，使得碳化硅功率器件拥有高的击穿电压、开关频率、工作温度、功率密度等性能优势，在系统应用中可以有效地提升系统的工作效率，降低系统的功率损耗，降低系统的尺寸和重量，在新能源汽车中也受到了广泛关注。
近年来，新能源汽车产业迅猛发展，成为硅功率器件市场扩展的重要推动力。碳化硅功率器件已经迅速进入新能源充电桩、车载充电器、电机控制器等应用领域。特别是在电机控制器方面，使用碳化硅功率器件，可以减少电机控制器80%的体积、70%的重量，最高效率可以达到99%。这些优势将有效的提升新能源汽车的持续续航能力、空间利用等关键性能指标。 成本目前是碳化硅功率器件所面临的较大挑战，但是从硅IGBT切换为碳化硅功率器件后，新能源汽车逆变器效率的提升,相同续航下对电池容量的降低，以及系统冷却体积和重量优化。将有效降低碳化硅功率器件本身带来的成本增加。碳化硅功率器件将成为未来新能源汽车发展的重要趋势。
特斯拉上海工厂的建成和首批国产model3的交付，无疑给中国新能源汽车市场带来了巨大的冲击，model3中其电机控制器的逆变器中已经采用了碳化硅MOSFET芯片作为核心功率器件。然后，这将进一步引领碳化硅功率器件在新能源汽车领域的发展和趋势。随着model3零件国产化率的提升，也给国内碳化硅芯片和模块产业带来了巨大的发展机遇。
与特斯拉同步的是，丰田、大众、日产、本田、比亚迪等公司也都将SiC功率器件，作为未来新能源汽车电机控制器的首选解决方案。 丰田公司从2016年开始就开展了碳化硅功率器件新能源汽车的应用。其乘用车实验型车型已经完成了长期的路况测试，在城市公交系统中也开展了实际的应用示范。三到五年内，碳化硅功率器件将成为整个国际、国内市场中电机驱动器系统主流的技术方案，这也将给全球的碳化硅功率器件产业带来巨大的发展机遇。
中国拥有全球最大的新能源汽车产业，并且作为国家重要的战略发展规划，其发展规模将长期保持高速扩展。新能源汽车市场规模保持着22%的年复合增长率。预计到2030年，中国新能源汽车销售量将达到2100万台，其巨大的市场规模牢牢的吸引了国际和国内碳化硅功率器件企业的目光。 新能源汽车将保持22%增长率，SiC在该领域增长率将49%，核心芯片国产化率不足2%，SiC功率器件国产替代空间十分广阔。 但目前国内新能源汽车核心芯片国产化率却不足2%，其核心功率器件基本依赖进口，这导致费用昂贵，供应链稳定性差，整车电驱系统成本高昂，并且供应受制于人。一旦在未来几年，国外电动汽车产业规模扩大，并和国内同行形成全方位竞争后，核心功率器件很可能成为卡住国内车厂的命门，现实和未来都需要尽快解决自主碳化硅功率芯片的核心技术，车规级的碳化硅功率芯片的国产化进程刻不容缓。 二、 碳化硅功率器件主要发展历程 1.SiC肖特基二极管产品系列化 SiC肖特基二极管是最早进入市场的碳化硅功率器件产品，从2001年英飞凌首先推出SiC肖特基二极管产品以来，经历20年的发展，国内外20余家公司量产SiC肖特基二极管系列产品，击穿电压600-1700V，单芯片导通电流最高达50A以上。 作为产业龙头，CREE、英飞凌产品技术发展到第六代，采用薄片、沟槽等先进技术，在不断提升性价比的同时，应用可靠性显著提升。
2. SiC MOSFET成熟度提升迅速 SiC MOSFET器件技术方面，成熟度迅速提升，市场应用规模迅速增长。自从2010年，CREE一代SiC MOSFET的推出。国际上10余家公司量产SiCMOSFET系列产品，击穿电压650-1700V，单芯片导通电流最高达100A以上。 在SiC MOSFET器件产品中存在两种主流的技术路线方案，Cree、Rohm分别基于平面型DMOSFET和沟槽型UMOSFET技术路线，产品技术发展到第三代，芯片尺寸大幅缩小。
3. 平面型SiC MOSFET Cree：Gen3 1.2kV 器件Ron,sp降低至2.7mΩ∙cm2, 3.3kV 及更高电压器件Ron,sp接近单极型器件理论极限。 ST：Gen2 1.2kV 器件Ron,sp 5.5mΩ∙cm2，高工作温、高阈值电压，可靠性达到车规级应用要求。 目前特斯拉model3所采用的是ST公司的1200伏碳化硅产品，具有更高的工作温度，高的阈值电压等性能特点，更适合于新能源汽车电机驱动控制器的系统。
4.沟槽型SiC MOSFET Rohm：Gen3双沟槽结构降低Eox，1.2kV器件Ron,sp降低为Gen2 DMOS的50％。 Infineon：非对称沟槽结构降低Eox ，(11-20)面高MOS沟道迁移率，实现低导通电阻、高阈值电压。
5.技术成熟度快速提升 目前，SiCSBD和SiCMOSFET都已实现了商品化，超越“概念验证”阶段，目前SiC MOSFET在产品性能和技术成熟度方面处于快速增长期。可靠性及成本达到EV、轨道交通等应用要求，逐步进入成熟期； 产品应用领域和市场比率迅速提升，在电源、光伏领域的应用规模进一步扩大，处于快速增长期。用户市场应用的产品还没有得到固化和定型，因此，未来三到五年，是我国碳化硅功率器件产业发展突破的最后机会，产业发展进程刻不容缓。 2025年以后，碳化硅功率器件市场将进入成熟期，国际厂商将形成更高的市场壁垒，国产碳化硅功率器件再进入市场将更加困难。
6.产业初具规模 当前，碳化硅功率器件产业已经初具规模，2018年产品销售超过3亿美元，高端应用正逐步替代硅器件；高端应用正逐步取代硅器件。市场规模快速增长，未来十年内，其将保持30%的高速年增长率，2023年超过10亿美元，这也是国内碳化硅功率器件产业必须抓住的机遇。
三、 关键核心技术及发展趋势 与传统的硅功率器件工艺相比，碳化硅独特的材料特性使其需要匹配多种特别的工艺技术。在这些核心技术方面，国外的技术积累和优势没有硅器件那么明显，这也为我们在碳化硅功率器件领域的快速追赶，甚至超越提供了难得的机遇。 1. SiC功率器件特殊工艺 由于掺杂离子在碳化硅材料内极难扩散，因此难以通过传统的高温扩散掺杂技术实现PN区的离子掺杂，需要采用1650度的高温外延技术实现碳化硅材料漂移层的生长。外延质量和缺陷率将直接影响器件的性能和成品率， 碳化硅外延技术是碳化硅功率器件制备的核心技术之一。同时，针对碳化硅MOSFET器件，要实现碳化硅深的离子掺杂浓度，需要引入高温高能离子注入技术，其实际注入能量将高达800keV，这也是碳化硅器件需要的另一个关键技术之一。 另一方面，掺杂离子在碳化硅材料内的激活率较低，需要在超高温度条件下进行激活，激活温度最高可达到1800度。如何在如此高的环境温度下保持碳化硅材料良好的界面状态，是高温激活退火技术的关键。 相对于其他化合物半导体材料，碳化硅可以通过自氧化形成栅介质层，特别适合作为硅功率器件的替代材料。但是碳化硅栅介质层在氧化过程中高的界面态密度，然后低的载流子迁移率等问题是其面临的重大技术难点。 通过十几年的技术研究，通过系统的优化氧化条件，一氧化氮退火，高温钝化等工艺，栅介质层氧化工艺已经实现了重大的突破，栅介质层达到了批量商用的要求。 2. 阈值电压提升 针对新能源汽车的应用，未来几个方向是碳化硅功率MOSFET器件研究的重点，一是阈值电压的提升技术。新能源汽车应用环境,温度较高，而硅功率MOSFET的阈值电压随温度升高而降低,低的阈值电压增加了高温环境下系统的开启风险，因此阈值电压的提升对电动汽车应用来说非常重要。目前三菱、罗姆和英飞凌等公司都已开展了多项研究，并取得了不错的研究成果。
3. 阈值电压稳定性提升 碳化硅阈值电压稳定性是其需要攻克的另一技术重点，器件长期的阈值电压稳定性是新能源汽车应用的另一个焦点。 目前，国际报道通过V族元素的钝化、B钝化、非晶硅沟道制备等提升阈值电压稳定性的技术，但是这一系列技术的成熟度仍有待进一步的提升。
4. 栅氧介质可靠性提升 栅氧介质可靠性提升是碳化硅功率MOSFET器件实现新能源汽车应用面临的重要瓶颈，栅氧介质失效是碳化硅功率MOSFET器件应用中主要的失效现象之一，相对于传统硅器件，硅功率MOSFET栅介质层可靠性还有较大提升空间，更多的研究工作需要集中解决这一应用难题。 四、国内外竞争分析 在碳化硅功率器件产业领域，以美国的Cree公司、日本的罗姆半导体公司为代表的国外碳化硅功率器件产业处于绝对领先地位，并且形成了巨头垄断局面。国内碳化硅MOSFET芯片技术尚处于研发阶段，芯片技术成熟度有待提升。
国际SiC供应商加速投资，迅速扩产 2018年，Rohm公布加速投资，扩大SiC晶圆和器件产能计划 2019年，Cree宣布10亿美元投资计划，开展8英寸晶圆线 2019年，Infineon与Cree就SiC衬底供应，签订战略合作协议 2019年，大众与Cree就新能源汽车应用SiC器件供应，签订战略合作协议
国产SiC衬底 在碳化硅衬底方面。国内有天科合达、山东天岳、世纪金光等多家企业推出了其四英寸的碳化硅衬底产品。 国产4英寸SiC衬底 国内碳化硅衬底产品，其微管密度已经接近了进口衬底的水平，天科合达、山东天岳等厂家的衬底材料已经通过了产品的验证，开始大批量的应用于碳化硅功率器件的产品生产，有效地保证了衬底供应链的安全。 国际上碳化硅功率器件厂商已经基本都进入了六英寸时代，未来几年很可能迈向八英寸时代，在六英寸和八英寸衬底技术和产能方面，与国际都还存在比较大的差距。 国产SiC外延 国产4英寸SiC外延材料 中国电科55所在碳化硅外延方面拥有十年的技术积累，目前外延材料主要性能参数优于进口SiC外延片的供片指标要求，并且建立了稳定的批量供货的能力。下图所示，中国电科55所碳化硅外延材料参数指标与Cree产品的供货指标的对比，多个指标优于Cree的供货标准。 国产SiC电力电子器件 碳化硅功率器件加工方面，国内开展了大规模的投入，目前，产品制造单位超过10家，55所、中车时代电气等具备完整的器件工艺线；55所、泰科天润等公司已批量销售SiC肖特基二极管。 但是碳化硅MOSFET器件方面，国内还处于产业推广的起步阶段，产品技术水平和市场占有率仍需大幅提升。 55所SiC电力电子技术定位 55所定位于集碳化硅材料外延、晶圆加工、器件测试和可靠性评价以及碳化硅功率模块封装的全产业链协同的碳化硅器件发展。
55所SiC外延材料自主保障 在碳化硅材料外延方面，建立了四六英寸碳化硅外延技术，拥有三台批产用的碳化硅外延设备，30µm-薄外延年供片能力超过1万片，同时还建立了低缺陷密度150µm 厚外延生长技术，在国内处于领先的地位。
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