SiC碳化硅技术基础
目录：
1、市场
2、分类和应用
3、原理和优势
4、产品和技术
5、设计和开发
6、工艺、制造和产业链
7、概念和定义
1、市场
随着新能源汽车、光伏、充电桩等应用对系统效率的不断追求，功率半导体市场将迎来前所未有的增速。
SiC功率器件市场规模：
▲Source：Power SiC report，Yole intelligence，2022
SiC市场格局仍由海外巨头主导，市占率排名依次是：
意法半导体
、英飞凌、wolfspeed、罗姆、安森美、三菱电机等。
特斯拉是业界首个在电动汽车逆变器中采用SiC的车企，2018年，特斯拉在model 3中首次将IGBT换成SiC。
2、分类和应用
导电型SiC目前主要应用于逆变器中，用于制造功率器件。逆变器将电池的直流电转化为电机所用的交流电，在传统Si基IGBT逆变器中，利用方波电源控制IGBT的开关，使得原来的直流电输出方波高压电，经过整形后形成正弦电压，即交流电。
由于输出电压和输出频率可以任意控制，所以逆变器广泛用于控制交流电机和无刷电机。
半绝缘型衬底主要用于制造
氮化镓
射频器件等，通过在半绝缘型SiC衬底上生长氮化镓外延层，制得碳化硅基氮化镓
外延片
。
3、原理和优势
电动汽车驱动用模块（Power Module for EV）的特点：
（1）布置空间受限（Limited）；
（2）温度变化大（-40℃～105℃）；
（3）振动剧烈（Tough）；
（4）可靠性要求高（Higher）；
（5）通常为水冷（体积小）（Water）；
（6）需要精确的力矩控制，要求动态性能较好（High requirement）；
（7）要求性价比高（High requirement）。
SiC碳化硅是由碳元素和硅元素组成的一种化合物半导体材料，是制作高温、高频、大功率、高压器件的理想材料之一。
相比传统的硅材料，碳化硅的禁带宽度是硅的3倍，导热率是硅的4-5倍，击穿电压是硅的8-10倍，饱和电子漂移速率是硅的2-3倍。
碳化硅器件的核心优势在于：
1）耐高压：阻抗更低、禁带宽度更宽，能承受更大的电流和电压，带来更小尺寸的产品设计和更高的效率；
2）耐高频特性：SiC器件在关断过程中不存在电流拖尾现象，能有效提高开关速度（大约是SiC的3-10倍），能达到更高频率和更高开关速度；
3）耐高温特性：SiC相对Si拥有更高的热导率，能在更高温度下工作。
碳化硅与硅基半导体相比（SiC VS. Si）:
（1）击穿场强×10
（2）禁带宽度×3，极低的本征载流子浓度，耐高压、高温能力
（3）热导率×3，散热能力提升，有助于提升功率密度
以SiC和GaN为代表的宽禁带半导体是实现高效率能量转换、小型化、低系统成本的更佳选择。
SiC MOSFET在多方面均表现出远超传统Si基器件的性能，有望在多个领域逐渐实现替代，可靠性与成本是商业化的核心
新型器件结构、高沟道迁移率、超级结、SiC-IGBT、SiC-IC是未来努力的方向
SiC卓越的材料性能：具有Si和C共价键的化合物半导体
极硬材料，新莫氏硬度：13（钻石15）
Si-MOSFET 和SiC-MOSFET结构单元比较：
SiC-mos 与Si-IGBT和Si-SJMOS的比较：
（1）与Si器件相比，SiC器件大大提高了工作性能
（2）每一代SiC器件都接近理论极限
（3）来自不同供应商的最先进的SiC MOSFET达到了同类产品的性能
在电动汽车逆变器中采用SiC MOSFET的系统级效益：
（1）低导通损耗
（2）低开关损耗
（1）高效率：在不牺牲车辆续航里程的情况下降低电池容量
（2）简化且更紧凑的冷却系统
▲基于SiC MOSFET的逆变器实现更高的效率
▲Nitzsche et al.,“Comprehensive Comparison of a SiC MOSFET and Si IGBT Based Inverter”,PCIM2019
锂离子电池尺寸和容量减少+保持续航里程不变
半导体成本的增加被电池费用的节省所弥补
相比传统硅基材料，SiC各项性能指标优势明显：
SiC MOSFET在电动汽车主驱逆变器中相比Si-IGBT优势明显，虽然当前SiC器件单车价格高于Si-IGBT，但SiC器件的优势可降低整车系统成本：
（1）由于SiC MOSFET相比Si-IGBT功率转换效率更高，根据Wolfspeed数据，采用SiC MOSFET的电动汽车续航距离相比Si-IGBT可延长5%～10%，即在同样续航里程的情况下可削减电池容量，降低电池成本；
（2）SiC MOSFET的高频特性可使得逆变器线圈、电容小型化，电驱尺寸得以大幅减小；
（3）SiC MOSFET可承受更高电压，在电机功率相同的情况下可以通过提升电压来降低电流强度，从而降低线束成本。
（1）导通电阻小（Low resistance）：是Si基器件的1/3～1/5；
（2）可高温工作（High temp.）：是Si基器件的1.5～2倍；
（3）可高速开关（High frequency）：是Si基器件的3～5倍
4、产品和技术
主流SiC功率器件结构：
主流SiC MOSFET比导通电阻发展趋势
受工艺成熟度与稳定性影响，沟槽栅器件暂时并没有实现对平面栅结构的全面超越。
目前平面型结构式主流，未来沟槽型在高压领域会广泛应用。平面结构相比沟槽，不容易产生局部击穿问题，不影响工作稳定性，在1200V以下市场应用广泛。并且平面结构制造相对简单，成本可控。
沟槽型器件寄生电感极低，开关速度快，损耗低，器件性能相对高效。
等效单相功率密度=电压×电流÷体积×相数
SiC行业存在的问题：
（1）SiC衬底制备成本高
（2）高端技术和人才缺乏
（3）国外技术封锁
（4）外延设备国产化率低
（5）产品良率低
（1）扩大晶圆尺寸。从6寸晶圆转向8寸晶圆，SiC芯片（32mm²）数量有望从448颗增加到845颗；能够使整体碳化硅器件成本降低20%～35%。
（2）改进SiC长晶技术，提升长晶速度。
（3）应用ColdSplit技术分割碳化硅晶圆，从而使单个晶圆芯片数量翻倍。
（1）突破现有模块150℃限制（Package limit for high temp.），实现功率模块200℃稳定运行；
（2）解决高速开关易受干扰问题（Gate drive limit for high freq.），实现高速门级驱动；
（3）解决散热过于集中问题（Thermal limit for high density），采用高效散热方法
碳化硅功率模块相关设计要点（SiC High Density Converter Design）：
（1）模块布局（Module layout）
（2）高温封装（High temp. packaging）
（3）驱动设计（Gate drive design）
（4）保护设计（Sensor & protection）
（1）低寄生电感：电压过冲减小
（2）高散热能力：降低局部热点温度
（3）柔性互联/缓冲层：抗热应力能力提高
（4）无键合线：功率循环可靠性提高
▲平面型封装硅模块
▲平面型封装硅模块典型产品（Plannar Packaged Products）
▲平面型模块分类（Planar Package Classification）
▲双面散热
双面散热（Double-sided Cooling）技术要点：
（1）互连与散热约束
（2）高性能母排
（3）散热平衡设计
（4）驱动板排布位置
