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SiC肖特基二极管的产业、技术现状与前景

何 钧 唐亚超 赵 群 扬州扬杰电子科技股份有限公司 新一代宽禁带半导体材料由于具有优异的潜在材料性能,在功率器件中得到了广泛应用,十几年来一直是电力电子领域的研发热点。其中碳化硅(S i C)功率器件的技术成熟度最高,几年前率先进入实用商品化阶段后,保持了较
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何 钧 唐亚超 赵 群 扬州扬杰电子科技股份有限公司 新一代宽禁带半导体材料由于具有优异的潜在材料性能,在功率器件中得到了广泛应用,十几年来一直是电力电子领域的研发热点。其中碳化硅(S i C)功率器件的技术成熟度最高,几年前率先进入实用商品化阶段后,保持了较高的增长势头,吸引了产业界很多关注。相关新能源技术和产业(包括太阳能、风电、混合及纯电动汽车等)的发展更加速了S i C功率器件产业的成长。市场预测,该行业在今后的几年中将保持高达38%的年增长率[1]。 目前主流的S i C功率器件产品,包括用以在900V以上的应用领域替代硅绝缘栅双极型晶体管( I G B T )的金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET),以及600V以上应用领域替代硅快速恢复(F R D)的肖特基二极管( S B D ,其中主要的一类又叫做JBS,见后文)。 虽然M O S F E T产品的应用处于迅速的扩张中,并且是厂商研发活动的焦点,但是目前S i C功率器件的商业应用仍然以肖特基二极管为主,并且明显地集中在几个典型的功能和应用领域。与它明显而巨大的优势潜力相比,目前的发展速度实际上是不能令人满意,而且令人意外。在这里,结合应用和器件本身2个方面,介绍一下当前S i C肖特基二极管的技术特征、面临的障碍和今后发展的趋势。 一、市场现状和挑战 1. 成本 目前S iC器件广泛应用的最大障碍还是成本。可以说,如果S iC功率器件的成本能够降到接近于硅器件的水平,那么很多问题就能迎刃而解,而不会是今天这个局面。目前最典型的S iC肖特基二极管产品(600V10A)的市场价格还是同规格硅FRD产品的5 ~6倍以上。对于更大的额定电流的产品,成本差距就更悬殊。实际上,由于市场规模还小,当前为数不多的S i C器件厂商绝大部分都没有足够充分的产能资源,都是在赔本补贴,实际上也无法保证大量供货。因此,能否降低成本,能否保证供应,是下游应用厂商对器件厂家的最大疑问。在这个问题得到满意答案之前,S i C肖特基二极管的应用被局限在少数不得不用的领域。典型的有下面4个方面。 (1)高端音响 主要利用SiC三极管优良的高温高功率下的放大功能(BJT、JFET、MOSFET),以少畸变、高保真达到最佳音响听觉效果。但是对S i C肖特基二极管也有明显的需求,可以用在不同的电路部分。这是一个追求性能和用户体验,对成本不敏感的行业,是S i C肖特基二极管(同时也是S i C功率器件)的第1个民用下游领域,曾经在早期为S i C功率器件厂家提供了最初的现金流。由于我国缺乏高端音响制造业,在S i C器件行业起步也较晚,未能得到进入这个市场的机会。 (2)服务器电源功率因数校正(PFC) 这主要是因为大量服务器集中放置,耗电较高,同时硅快速恢复二极管(FRD)发热较高。改用SiC-SBD后,提高效率,除了减少耗电,更重要的是降低器件温度,减少散热成本,提高了至关重要的系统可靠性。在新能源汽车兴起之前,服务器电源P F C一度是S i C - S B D最主要的市场。这个应用领域对可靠性的要求较高,已经被欧美日公司占据,国内厂商因为起步较晚,渗透十分困难。图1是一个典型的PFC升压电路图。 (3)光伏微型逆变器升压电路 主要是因为家庭光伏所用的微型逆变器体积较小,需要提高工作频率来减小被动原件的体积。在高频下,硅F R D的效率下降。一些国家和地区(比如欧盟、加州、澳大利亚等)对光伏微逆入网有效率限制,大致为95%左右,这就使得SiC-SBD成为必须的选择。光伏微逆所用的SiC-SBD功率等级较低,应用工况(电路环境)比较理想,对产品的电环境可靠性要求较低,产品质量和成本都比较容易满足要求。这是目前S i C器件厂商主要的利润来源。一旦家庭太阳能通过政策支持等方式普及,S i C功率器件产业必然会有爆发性的发展。 (4)便携式电动车充电机PFC 这个应用考虑与光伏微逆类似,区别是对效率下限并无法规限制,但是由于占用新能源汽车空间和重量载荷的缘故,对小型轻量化的要求更迫切,所以普遍地采用S iC-S B D。相应地,空间和质量限制方面考虑较少的固定式充电桩,SiC-SBD的渗透率就低一些。目前电动车充电机处于一个爆发性增长阶段,对国产S i C器件的需求很旺盛,是国内厂商必须抓住的市场机会。 2.垂直整合/横向划分/产品标准 成本并不是碳化SBD广泛应用的唯一障碍。比如对于目前的小功率应用,尽管SiC-SBD比对应的硅FRD要贵很多,但是在整个系统成本中,所占比例仍然是微不足道的。以最常见的家用空调为例,使用S i C - S B D,增加的成本只有几元钱。而使用S i C器件代替硅器件,可以降低系统成本(被动元件的尺寸规格)和提高性能效率。在很多场合中,可以轻易补偿器件成本的增加。 现在阻碍S i C - S B D在更广泛的领域应用的因素,还有以下4个方面。①下游用户对S i C器件的性能不了解。功率器件属于最保守的工业领域之一。目前所有的功率器件用户经验,都是关于硅器件的。以全新半导体新材料为基础的S i C器件,和相应的硅器件性质上有很大差别。就以最简单的正向额定电流来说,在一般的一百多摄氏度的工况下,硅器件都要降额使用,大致只有室温下额定电流的1/3。而S i C - S B D的电阻温度系数是正值,反向漏电随温度上升(在一定范围内)也不明显,因此在这种典型工况下,不需要降额使用。也就是说,一个标称10A的S i C - S B D,大致可以对应室温额定电流30A的硅FRD。这样一来,实际上SiC和相应硅产品的价格对比就没有那么悬殊。很多用户仅仅因为不了解这一点,就被被表面上的价格差别吓退。还有客户一定要从硅F R D的使用经验出发,无法解读理解S i C - S B D产品技术手册。比如反复要求厂商测量并提供对于单极器件来说并不存在的反向恢复时间(Trr)和电荷。为了迎合这些用户,SiC-SBD厂商往往不得不扭曲地改写产品技术手册。 ②S i C功率器件的使用,还远远不只是一个简单的器件替换的问题(这时候考虑的是最主要的正反向电测试指标),而是一个系统工程。一般来说,使用SiC-SBD替代硅FRD,意味着工作频率的提高,需要使用新的驱动,并且考虑高频下的寄生参数。如果说S i C - S B D的主要电指标(正向压降和反向耐压漏电)大致是以要替代的产品(硅F R D)的指标为目标而设计的话,其次要指标(热阻、电容、电荷、雪崩、浪涌)由于材料特性的关系,与硅F R D的差别就非常之大。而这些差别在新工况下(高频)是无法忽略的。实际上,由于SiC-SBD尚属新一代产品,各个厂商的提供的同样主要指标的产品,其结构并不相同(往往还有专利限制),因此次要指标也有差别,在系统层面不做调整则无法简单互换。器件在新系统新工况下的表现(效率、功耗、发热)以及可靠性(包括电路环境和综合环境),都是全新的问题,需要一代应用技术开发人员去理解适应。我国尤其缺乏这方面的前瞻性投入。很多企业往往是山寨别人已有的系统设计,对器件和系统的互动关系理解不深。在当前各家S i C器件厂商都无充分产能的情况下,只依赖单一供应商来源,对供应链保障不利,也影响了对新产品的使用热情。 ③S i C - S B D厂商本身对应用的了解也不够。产品开发的技术负责人往往没有应用背景,甚至连硅器件的知识和经验也没有。无法和下游用户的应用工程师,品质负责人等有效沟通交流。实际上,现在S i C - S B D产品,在某些方面离充分开发材料潜力也有很大距离。比如说,器件前道和封装这2个环节都没有达到很好的磨合。目前的民品封装基本还是沿用硅器件的材料和技术,这就限制了最重要的材料高温特性方面的优势。对于这样一个全新材料在保守领域的应用,某个时期内产业链的垂直整合是至关重要的,日本在这方面做得比较好[2]。而欧美市场相关企业最近的一系列动态,也是明显地趋向垂直整合。而我国在这方面的动作明显落后。 ④垂直整合解决的是技术磨合成熟的问题。从产业来说,由于S i C材料的成本高昂,之后仍然需要产业链的横向专业化划分,才能降低成本保证供应。对于器件前道部分尤其如此。作者认为,需要通过全产业链的交流,逐渐形成对于相关的产品的共识,进而产生行业标准,利于器件厂家控制投资产能时的市场风险,同时也有利于器件用户的系统开发和供应链保证。 二、市场上可见的SiC-SBD产品的技术现状和发展前景 下面从器件厂商的角度,针对产业链介绍一下目前市场上可见的各种SiC-SBD产品的技术现状和发展前景。 目前市场上S i C - S B D器件,结构还较为简单。这是由优异的材料性能、昂贵的成本、不完善的材料质量,和工艺艰难这4个主要的特点决定。由于材料性能优异,最简单设计也能到达远远优于硅器件的指标,那么设计的考量就主要在工艺方面。因此目前S i C - S B D器件的设计完全是工艺主导的,并未专门化。纯S B D器件的基本结构示意图如图2所示。为简化起见,其中去掉了背面欧姆金属等部分。 纯S B D是S i C - S BD器件早期主流结构。可以以此为基础,讨论S i C -SBD器件的成本,特性和设计考量。最下面的N元素高掺杂(N +)衬底是产品成本的主要部分,目前还未见我国厂家有能提供有商业竞争力的产品。这也是制约我国S i C功率器件产业的主要障碍。上面的N元素低掺杂(N-)漂移层由外延工艺生长而成,目前我国这方面与国际水平相差较小。这二者合起来的材料成本占据了目前整个器件总成本的大部分。一般认为,即使在规模化之后,近期内材料成本大幅降低的可能性并不大。仅此2项就决定近期内SiC-SBD价格不可能降低到接近硅F R D的水平,尤其是大额定电流的产品。至于4 ~6英寸的转变,也不能明显改变这一局面。 肖特基二极管最主要的工艺特性是反向漏电和正向压降。SiC-SBD器件和硅肖特基类似,I V曲线雪崩部分较“软”,不同于它替代的硅P N管。这也是很多熟悉硅P N管的应用工程师很不习惯的地方。一般工况小、反向漏电造成的反向损耗(反向漏电×阻断电压)在总功耗中的贡献可以忽略不计。反向漏电的重要性在于它是表征可靠性(高温反偏和反向电压过载)的重要指标。经过多年的探索,SiC-SBD器件厂家,对何种漏电水平可能引起瞬时反向电压过载的耐受能力不足,已有足够认识。所以用户在选择产品时,不需要过多关注漏电水平。 在正向压降方面,SiC-SBD器件的指标,目标定为大致和硅F R D在高温下的量值类似,这已经成为行业标准。除了以上2个主要指标,SiC-SBD器件的产品手册还需要标明还有以下次要指标: 热阻:大致由器件的面积和封装决定。需要注意的是,S i C器件的热阻较小,而且其电阻的温度依存性小,因此使用硅器件的热阻测量装置,测出的热阻值往往并不准确。不同厂家给出的值并无绝对意义,需要在同一测量装置上比对。 反向恢复时间/电荷:对于SiC-SBD,这个值不但很难测准,而且实际上的意义需要澄清。目前严肃的厂商不再迎合用户提供这个结果。严格来说,单级器件没有反向恢复时间和电荷。测出来的表观反向恢复时间/电荷,是结电容和寄生电容的充电时间/电荷。这个电荷并不经过器件内电场,所以不会在器件内发热。但是在高频工况下,这些电荷对线路中其他部分的影响,类似于反向恢复电荷。 正向浪涌:由于SiC-SBD的浪涌值远低于相应的硅F R D,因此成为非常重要的指标。一般正向浪涌用额定电流的倍数来表示。早期SiC-SBD的浪涌,往往在5倍左右。而同规格的硅F R D,可达20倍。如果考虑到实际使用中硅器件需要降额到1/3左右的电流值,这就等于是5∶ 60的差距。在图1中的P F C电路中,当S i C - S BD浪涌电流值不够的时候,需要为这个二极管(和电源侧的电感一起)并联一只硅管,这就增加了器件成本和电路的复杂性。 反向雪崩能量(EAS):SiC-SBD的反向雪崩耐量也低于相应的硅F R D。由于E A S较低,在标准E A S测试装置中,S i C - S B D行业标准是采用5m H的电感(硅二极管往往用0.5m H ),来获得较大的E A S,而且习惯用测量电路中电感的充电电流来表达。如果这个电流值能够接近器件正向额定电流,就是较满意的结果。在某些应用中,反向雪崩在应用可靠性评估中不如正向浪涌重要,在图1所示的P F C电路中,二极管旁边的电容可以抑制反向电压过载。 由于材料的问题,S i C - S B D的E A S离散性较大,因为厂商一般不在技术手册中标明,但是用户应该了解所用产品EAS的基本情况。 在纯SBD结构中,N-漂移层的材料质量(缺陷水平)和肖特基表面(肖特基金属和N-漂移层的界面)工艺最为关键。在同样的反向漏电和正向压降的指标下,可以依赖较高的工艺水平缩小面积,降低成本,但是这需要付出热阻和浪涌方面的代价。因此目前各个厂商在这方面的差距,不足以导致明显的成本差别。 纯SBD结构的SiC-SBD器件,可以在普通的硅半导体产线上完成,不需要添加S i C特有的工艺设备。由于目前有很多折旧完毕的硅6英寸线,这意味着前道流片成本和产能方面的巨大优势。然而它最为人诟病的是电路环境可靠性方面的弱点,也就是较差的反向雪崩和正向浪涌耐受能力。其中前者是业界纷纷放弃纯S B D结构,转向所谓的结势垒肖特基(J B S)结构的原因[3]。虽然如此,也有厂家通过精确的边缘结构工艺控制,以略微牺牲反向漏电水平的代价,获得不逊于J B S结构的雪崩耐受能量。在正向浪涌方面,纯S B D结构因为设计非常简单,似乎更加绝望。然而确实有厂家在封装方面努力增加器件对热应力的耐受,从而有效改善了浪涌能力,但是产品数据相对离散性较大。 综上所述,考虑到S i C器件的成本障碍,以及在某些线路设计中对器件浪涌雪崩要求不高的事实,笔者认为纯SBD结构的SiC-SBD器件,在一段时间内仍有市场生命力。只是需要用户在应用系统的设计时,针对到低成本器件的弱点,在线路设计上有所考虑和预备。 由于纯S B D结构的缺点,目前市场上的SiC-SBD器件厂商,大部分提供的都是前述的J B S结构。由于S i C材料比较难以刻蚀,为了工艺简化起见,通常的600V和1 200V产品较少采用台阶终端保护结构,而是以场限环和结终端扩展(J T E)为主。图3和图4分别展示了这2种不同的终端设计。 由于有了结势垒(JB)注入,大大削弱了器件表面场强,所以J B S器件可以在保证漏电很低的情况下,增加N-飘移区的掺杂浓度,降低正向压降,代价只是损失了JB注入区的导通面积。而这个“损失”的导通面积还可以提高浪涌能力。目前市场上大面积(大额定电流)的产品都只能是JBS结构。 与纯S B D一样,J B S结构的器件,工艺能力的高低也体现在肖特基表面工艺。工艺水平高的,可以采用较大的J B注入区间隔(也就是图3、4中的d值),节约成本。但是这又是以牺牲重要的浪涌能力为代价。因此,市场上各个厂商的J B S器件,实际上差别并不很大。 在2种常见的终端结构中,场限环的优点在于流程只需要一次注入,同时器件的漏电和雪崩对表面状况相对不很敏感,结电容小。缺点是对光刻工艺要求高,同时器件的雪崩较差。反过来,J T E结构对光刻要求低,器件的雪崩耐量高,但是需要多一次注入,结电容大,同时漏电尤其是雪崩对表面状况敏感,容易有片间和批次间的飘移。笔者认为比较起来,从国内产线的设备情况来看,仅就1 200V和600V电压产品来说,J T E结构更有可能占据主导地位。 市场上也曾出现其他类型的SiC-SBD结构,比如较复杂的[N-变掺杂+ P N开窗+台阶J T E ]结构,但是笔者认为,结构简化标准化是近期产品主流趋势。原因如下: ①其产品性能优越性已经为市场证实,形成了自己占优势的应用领域。不急切需要进一步挖掘性能的潜力。 ②与消费电子不同,功率器件是理性保守的行业,重视成本和可靠性,而且全新器件需要系统应用层面的配合。行业用户需要看到价格下降,使用范围和规模增大,技术一定程度的透明化,积累应用经验,保障供应链稳定。 ③各个产业链条的S i C厂商多年研发投入未能盈利,为规避财务风险,尚未积极投入产能扩张。 三、结语 综上所述,S i C - S B D器件的标准化条件已经接近成熟,并且成为行业进一步发展的必然要求和推动因素。由于材料技术进步进展不大,成本居高不下,这一产品标准化过程不易自发完成。笔者一直呼吁政府和行业组织积极发挥作用,促进产业垂直整合和横向专门化/标准化[4]。 除了组织引导之外,在具体的资源投入上,以前业界曾经普遍认为财务激励应当集中在应用环节,通过补贴鼓励最末端的用户使用国产器件,促进整个产业链的健康发展。现在看来,应用环节已经自发活跃起来;反而是最前端的衬底材料,成为制约我国S i C功率器件发展的瓶颈。目前在材料环节,我国已经在国家产业战略和商务上受到日美等国相当程度的封锁和打压。在一个走出补贴布局阶段形成规模,相对规范透明的产品领域,在占最显著成本比例的材料环节受到封锁抬价,将成为噩梦一般的场景。不幸的是,现在国内业界的各个环节,已经明显看到这个局面的苗头。 10.3969/j.issn.1008-892X.2016.11.007 参考文献 [1] Developpement Y.SiC market 2015 Report[R].The French Republic. [2] 何钧,吴海雷.美国SiC功率器件相关技术专利趋势[J].新材料产业,2016(1):21-24. [3] Rupp R,Treu M,Voss S,et al.2nd Generation SiC Schottky diodes:A new benchmark in SiC device ruggedness[C]//IEEE International Symposium on Power Semiconductor Devices & Ics,2006:1-4. [4] 何钧,龙翔.国际市场SiC功率器件相关技术专利布局对我国新材料产业的启示[J].新材料产业,2016(4):40-43. 转载请注明来源。原文地址:http://www.lw54.com/html/Designs/20161126/6503150.html   

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