即将普及的碳化硅器件

2009年10月19日 11:10    李宽
关键词: 器件 , 碳化硅
作者:国务院发展研究中心 吴康迪   时间:2009-10-10  

  随绿色经济的兴起,节能降耗已成潮流。在现代化生活中,人们已离不开电能。为解决“地球变暖”问题,电能消耗约占人类总耗能的七成,提高电力利用效率被提至重要地位。

  据统计,60%至70%的电能是在低能耗系统中使用的,而其中绝大多数是消耗于电力变换和电力驱动。在提高电力利用效率中起关键作用的是功率器件,也称电力电子器件。如何降低功率器件的能耗已成为全球性的重要课题。

  在这种情况下,性能远优于普遍使用的硅器件的碳化硅(SiC)器件受到人们青睐。SiC器件耐高温(工作温度和环境温度)、抗辐射、具有较高的击穿电压和工作频率,适于在恶劣条件下工作。特别是与传统的硅器件相比,目前已实用的SiC器件可将功耗降低一半。由此将减少设备的发热量,从而可大幅度降低电力变换器的体积和重量。其缺点是制备工艺难度大,器件成品率低,因而价格较高,影响了其普通应用。

  随着技术进步,近年来SiC衬底的直径做的越来越大,器件质量越来越高,生产SiC 产品的厂商越来越多,从而使制约SiC发展的SiC衬底供应情况大为改观。特别是由于SiC二极管厂商的增加和SiC产量的增长,使SiC器件的价格不断下降。与此同时,SiC二极管的容量不断增大和SiC晶体管的实际应用,带动了SiC器件性能的不断改善。SiC器件己从高价时代的航天、航空、雷达、核能开发等领域,扩展至石油和地热钻井勘探、变频空调、平板电视、混合动力汽车和电动汽车以及太阳能光电变换等民用领域。汽车制造厂、空调公司和阳光发电部门以及众多电源厂商,对SiC器件的应用寄与厚望,人们已将其称做节电降耗的关健器件。

  SiC器件开发现况

  2009年SiC MOSFET晶体管已经可以量产,输出为100A的SiC二极管大批量问世。

  目前,SiC器件已被用于混合动力汽车和电动汽车设备中。2008年9月日本丰田公司开发出了SiC二极管逆变器,应用于X-TRAIL FCV型汽车进行道路行驶实验。同月,本田汽车公司已用SiC器件制出了电源模块。2009年日本开发的SiC变频空调在市场上销售。日本大阪的关西电力公司,开发出SiC逆变器,用于阳光发电。欧洲意法半导体公司用于电源的SiC二极管目前已大批量市售。德国英飞凌公司批量生产体积小的SiC二极管和SiC型MOS场效应晶体管,2009年3月推出了第三代薄型 SiC肖特基二极管。据日本三菱公司的试验表明,电力变换器中使用的硅基耐压600V快速恢复二极管和IGBT。如果用SiC SBD(肖特基势垒二极管)和MOSFET管代替,功耗可降50%,甚至70%。SiC的工作环境可稳定地提高至300℃,而硅不超过200℃。因此可减少散热器或不用散热器。此外,SiC器件可在高频下工作,在100KHz下使用的SiC器件已问世。

  2008年日本罗姆公司开发出了300A,耐压660V的10毫米见方的SiC二极管样品。传统产品因成品率低,只有几毫米见方的。一般情况下要扩大电流量就要增大芯片面积,然而芯片面积大则由于衬底质量的限制,成品率会降低。

  2009年2月美国Cree公司与Powerex公司开发出了双开关1200伏、100安培的SiC功率模块。其由耐高压和大电流的SiC的MOS场效应晶体管和SiC肖特基二极管组成。

  日产汽车开发出了5毫米见方的SiC和硅的异构结二极管,电流容量可超过100A。在罗姆公司协作下,日产汽车还开发出1~2毫米见方的SiC二极管,电流容量也能达到100A。

  美国Cree公司和日本罗姆公司在业界领先生产SiC的MOS场效应晶体管。SiC功率晶体管分3类:MOSFET、结型场效应及IGBT那样的双极型器件。前两者为单极型器件。SiC晶体管的结构比SiC二极管复杂、因此成品率低、价格贵、影响其普及。然而对于耐压1200伏的应用,SiC晶体管对于硅基晶体管的成本优势己很明显。

  专家指出,对于耗电大户的信息业的数据中心,目前采用SiC器件在一年内可收回投资。

  目前影响SiC晶体管量产的两个因素是其动态电阻稍大和氧化层的可靠性。前者是由于SiC晶体管沟道移动性低,后者则可影响到晶体管的可靠性。

  SiC衬底市场

  SiC器件的基础材料是SiC衬底。决定SiC器件能否普及的是器件价格。影响价格的是器件成品率。而器件成品率受到衬底质量的制约。2009年世界最大的SiC衬底厂商美国Cree公司,已可批量生产高质量6英寸SiC衬底。2008年起,Cree公司已可量产无中空贯穿缺陷(微管)的SiC衬底。从2008年5月开始,其微管基本为零的4英寸衬底能批量供应。日本新日本制铁2008年也生产出同样基本无微管缺陷的4英寸衬底。

  在SiC衬底市场方面,美国Cree公司垄断了优质SiC衬底的供应。2007年起,该公司在市场上供应2至3英寸基本上无微管的衬底。2008年其位错为每平方厘米5千个。2009年将提供6英寸基本上无微管的衬底。其次是德国SiCrystal公司和日本新日铁公司。SiCrystal2008年可提供基本上无微管的3英寸SiC衬底,其位错为每平方厘米2千个;新日铁目前拥有每平方厘米1个微管的3英寸SiC衬底,其位错为每平方厘米5千个至2万个,2009年稍晚些可推出4英寸SiC衬底。第3梯队产品质量一般,有日本东纤-道康宁合资公司和中国天科合达蓝光半导体公司。天科合达蓝光公司在出售2英寸SiC衬底基础上,2008年第3季度又推出了3英寸SiC衬底,其每平方厘米微管数量在50个以下。据Yolu发展公司的统计和预测,2005年至2009年SiC器件市场的年增长率为27%,2010年至2015年的年增长率为60%至70%。

  有关专家指出,我国天科合达蓝光公司进入SiC衬底市场影响巨大。其将迅速降低国际市场上SiC衬底的售价,从而推动SiC器件的更快普及。我国有关部门应进行支持,促进SiC器件在国内的应用,而不要使其只为国外厂商,特别是日本厂商,做廉价原料的供应商。
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mxh0506 发表于 2009-11-3 14:41:57
早就有耳闻,一直没见到.
现在找极端温度下工作的器件难啊.
terrysun 发表于 2009-11-3 14:51:37
技术不断进步
PowerAnts 发表于 2009-12-30 09:27:05
SiC 导通压降比较大,对效率的改善并不明显,不过对EMI的改善,那不相当的有力
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