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SiC功率半导体器件在近些年来的发展历程!-国晶微半导体

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作者:国产碳化硅肖特基二极管选型工程师来源:国晶微半导体

    近年来,SiC功率器件结构设计和制造工艺日趋完善,已经接近其材料特性决定的理论极限,依靠Si器件继续完善来提高装置与系统性能的潜力十分有限。本文首先介绍了SiC功率半导体器件技术发展现状及市场前景,其次阐述了SiC功率器件发展中存在的问题,最后介绍了SiC功率半导体器件的突破。


    SiC功率半导体器件技术发展现状!


    1、碳化硅功率二极管


    碳化硅功率二极管有三种类型:肖特基二极管(SBD)、PiN二极管和结势垒控制肖特基二极管(JBS)。由于存在肖特基势垒,SBD具有较低的结势垒高度。因此,SBD具有低正向电压的优势。SiCSBD的出现将SBD的应用范围从250V提高到了1200V。同时,其高温特性好,从室温到由管壳限定的175℃,反向漏电流几乎没有增加。在3kV以上的整流器应用领域,SiCPiN和SiCJBS二极管由于比Si整流器具有更高的击穿电压、更快的开关速度以及更小的体积和更轻的重量而备受关注。


    2、单极型功率晶体管,碳化硅功率MOSFET器件


    硅功率MOSFET器件具有理想的栅极电阻、高速的开关性能、低导通电阻和高稳定性。在300V以下的功率器件领域,是首选的器件。有文献报道已成功研制出阻断电压10kV的SiCMOSFET。碳化硅MOSFET器件在3kV~5kV领域将占据优势地位。尽管遇到了不少困难,具有较大的电压电流能力的碳化硅MOSFET器件的研发还是取得了显著进展。


    碳化硅IGBT器件的导通电阻可以与单极的碳化硅功率器件相比。与Si双极型晶体管相比,SiC双极型晶体管具有低20~50倍的开关损耗以及更低的导通压降。SiCBJT主要分为外延发射极和离子注入发射极BJT,典型的电流增益在10-50之间。

SIC碳化硅功率器件

    关于碳化硅晶闸管,有报道介绍了1平方厘米的晶闸管芯片,阻断电压5kV,在室温下电流100A(电压4.1V),开启和关断时间在几十到几百纳秒。


    iC功率器件市场前景广阔


    2014年全球Si功率器件市场规模约150亿美元,其中SiC功率器件为1.2亿美元,不到Si功率器件的1%。SiC器件2014年总市场规模约为1.33亿美元,至2020年市场规模可达4.36亿美元,年复合增长率为22%。


    预测,至2025年:碳化硅MOSFET市场规模将会超越3亿美元,成为仅次于碳化硅肖特基二极体的第二大碳化硅离散功率元件;SiCFETs与BJTs产品获得市场信赖,但多应用于专业或小众产品,规模远低于SiCMOSFET市场;结合SiC二极管与SiIGBT所形成的混合式SiC功率模组,2015年该产品市场销售额约为3,800万美元,预计2025年销售额将会突破10亿美元。


    SiC功率器件发展中存在的问题


    1、在商业化市场方面:


    (1)昂贵的SiC单晶材料。由于Cree公司技术性垄断,一片高质量的4英寸SiC单晶片的售价约5000美元,然而相应的4英寸Si片售价仅为7美元。如此昂贵的SiC单晶片已经严重阻碍了SiC器件的发展。


    (2)Cree公司的技术垄断。由于Cree公司在世界各国申请了许多专利,严重制约了其他公司在SiC领域的发展。


    2、在技术方面:


    (1)SiC单晶材料虽然在导致SiC功率半导体性能和可靠性下降的致命缺陷微管密度降低和消除方面近年来取得很大进展,但位错缺陷等其他缺陷对元件特性造成的影响仍未解决。


    (2)SiC器件可靠性问题。SiCMOSFET器件目前存在两个主要技术难点没有完全突破:低反型层沟道迁移率和高温、高电场下栅氧可靠性。与SiMOSFET相比,体现不出SiCMOSFET的优势。


    (3)高温大功率SiC器件封装问题。


    功率半导体的SiC之路期待突破


    电力电子器件的发展历史大致可以分为三个大阶段:硅晶闸管(可控硅)、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)和刚显露头角的碳化硅(SiC)系列大功率半导体器件。晶闸管发展已有近六十年历史,技术成熟也得到广泛应用,可以借鉴它的历史来预测碳化硅功率器件。想当初IGBT兴起时,与晶闸管参数指标相差极大,晶闸管已能做到2-3KV、2-3KA时,IGBT仅仅是电流过百、电压过千。在短短的二十几年间,IGBT从**代迅速发展到第六代,电压和电流已与晶闸管并驾齐驱,显示出IGBT优越性能。


    晶闸管能干的IGBT全能干、IGBT能干的晶闸管干不了,在相当大的一片应用领域里IGBT因其不可替代的优越性能独居鳌头。但是晶闸管仍以其比较高的性价比守住了自己的大片阵地。碳化硅材料技术的进展已使部分碳化硅功率器件用于实际成为可能。但还有许多关键的技术问题需要解决。晶闸管电流从小到大、电压从低到高经历了数十年的风风雨雨,IGBT也有这样的一个不凡的过程。可见SiC功率器件的发展也会有一个漫长的过程。


    无锡国晶微半导体技术有限公司是宽禁带第三代半导体碳化硅SiC功率器件、氮化镓GaN光电器件以及常规集成电路研发及产业化的高科技创新型企业,从事碳化硅场效应管,碳化硅肖特基二极管、GaN光电光耦继电器、单片机集成电路等产品芯片设计、生产与销售并提供相关产品整体方案设计配套服务,总部位于江苏省无锡市高新技术开发区内,并在杭州、深圳和香港设有研发中心和销售服务支持中心及办事处。


    公司具有国内领先的研发实力,专注于为客户提供高效能、低功耗、低阻值、品质稳定的碳化硅高低功率器件及光电集成电路产品,同时提供一站式的应用解决方案和现场技术支持服务,使客户的系统性能优异、灵活可靠,并具有成本竞争力。


    公司的碳化硅功率器件涵盖650V/2A-100A,1200V/2A-90A,1700V/5A-80A等系列,产品已经投入批量生产,产品完全可以对标国际品牌同行的先进品质及水平。先后推出全电流电压等级碳化硅肖特基二极管、通过工业级、车规级可靠性测试的碳化硅MOSFET系列产品,性能达到国际先进水平,应用于太阳能逆变电源、新能源电动汽车及充电桩、智能电网、高频电焊、轨道交通、工业控制特种电源、国防军工等领域。由于其具有高速开关和低导通电阻的特性,即使在高温条件下也能体现优异的电气特性,大幅降低开关损耗,使元器件更小型化及轻量化,效能更高效,提高系统整体可靠性,可使电动汽车在续航里程提升10%,整车重量降低5%左右,并实现设计用充电桩的高温环境下安全、稳定运行。


    特别在高低压光耦半导体技术方面更是拥有业内领先的研发团队。在国内创先设计开发了28nm光敏光栅开关PVG芯片技术,并成功量产应用于60V、400V、600V高低压、低内阻、低电容的光电耦合继电器芯片、涵盖1500kVrmsSOP超小封装及3750kVrms隔离增强型常规SMD、DIP等不同封装,单路、双路、混合双路、常开常闭等电路产品,另包括200VSOIMOS/LIGBT集成芯片、100VCMOS/LDMOS集成芯片、8bit及32bit单片机等集成电路产品,均获得市场及各重点科研单位、检测机构的新产品认定。


    公司核心研发团队中大部分工程师拥有硕士及以上学位,并有多名博士主持项目的开发。公司建立了科技创新和知识产权管理的规范体系,在电路设计、半导体器件及工艺设计、可靠性设计、器件模型提取等方面积累了众多核心技术,拥有多项国际、国内自主发明专利。


    “国之重器,从晶出发,自强自主,成就百年”是国晶微半导体的企业目标,我们为员工提供精彩的发展空间,为客户提供精良的产品服务,我们真诚期待与您携手共赢未来。

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