【极智课堂】李士颜：碳化硅功率器件新能源汽车应用及展望
时间：2021-05-24 | 来源：佚名
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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。
建立了完整、集中的4、6英寸SiC电力电子器件批量生产能力；批量生产SiC 肖特基二极管系列产品，初步建立SiC MOSFET产品技术。 55所新型功率模块生产线 2014年55所成立国扬电子公司，专业从事以SiC为代表的新型半导体功率模块的研制和批产；产品包括IGBT模块、SiC混合功率模块、SiC MOSFET功率模块等，年产各类功率模块30万块。 55所SiC MOSFET产品开发 针对新能源汽车领域应用碳化硅功率器件，55所目前已建立了1200V280、160、80、40mΩ碳化硅MOSFET器件产品，可以实现稳定的供货，还开发了1200V25mΩ碳化硅MOSFET器件产品,单芯片导通电流大于70安，目前处于产品的初步定型阶段，计划在2021年将实现新能源汽车的装车示范应用。
1200V25mΩSiC MOSFET 导通电流大于70安培，阈值电压2.8伏，击穿电压1500伏，可以完全满足碳化硅器件在新能源汽车方面的应用。
SiC MOSFET产品对比
1200V80mΩ产品动态特性测试
高温栅偏试验
栅氧介质寿命：TDDB试验
体二极管可靠性
车用1200V/300A SiC功率模块 •采用完全自主1200V/40mΩSiC MOSFET芯片； •采用Pin-fin直接水冷结构，三相全桥SiC功率模块； •1200V/300A功率输出，最高工作结温200℃； •2021年将完成500台新能源汽车装车应用；
充电装置应用 1200V SiC肖特基二极管具备低导通损耗、低反向漏电、高击穿电压、高浪涌能力耐受能力； 替代进口同类产品，通过500V和750V充电装置的系统级验证，实现数十万只产品销售应用；
光伏逆变器应用 替代相同电压电流等级的硅器件，效率提升2个百分点；替代进口同类产品，效率相当，多台样机正常运行一万小时以上，1200VSiC二极管和混合功率模块实现批量销售。
五、未来展望 未来碳化硅功率器件的应用领域将更加广泛，在光伏发电、风力发电、高端电源、白色家、电轨道交通和智能电网方面将取得更大的市场份额。其中，轨道交通和智能电网的应用市场将成为碳化硅功率器件下一个广阔的应用前景。
更高电压SiC器件实现产业应用 在碳化硅功率器件的电压等级方面，目前商用的电压等级只是覆盖到了600伏到1700伏，相信在现有基础上，3300伏到6500伏电压等级的碳化硅功率器件也将迅速进入产品化推广阶段。在不远的未来，相信1万伏电压等级的碳化硅MOSFET，甚至2万伏等级的碳化硅IGBT产品也将迅速进入我们的视野。
3.3-10kV SiC MOSFET等单极型器件进步显著，进入验证阶段；SiC IGBT等双极型器件的电性能不断提升，击穿电压达25kV以上，但其封装、可靠性等方面问题突出。 小结 国际上SiC功率器件技术处于快速发展期，在电动汽车等领域的应用将进入爆发期，市场产值将急剧扩张； 国内SiC功率器件产业化尽快完善，实现自主芯片国产替代，摆脱该领域长期以来依赖于国外器件供应商的产业瓶颈。 国内需要攻克的产业瓶颈，包括SiC衬底、SiCMOSFET技术成熟度仍需提高；国内用户的牵引是SiC器件技术快速提升的关键。
关于中国电子科技集团公司第五十五研究所 中国电子科技集团公司第五十五研究所是我国大型电子器件研究、开发及应用研究所之一，主要从事固态功率器件、微波毫米波模块电路等专业技术的研发和生产。目前在三代半导体研制领域处于国内领先水平；积极推动军民融合发展，民品产业进入国民经济信息化建设的主战场，形成了射频电子、功率电子两大支柱产业板块。 在国内率先建立碳化硅电力电子芯片和功率模块封装的批量生产线，拥有宽禁带半导体电力电子器件国家重点实验室，可以覆盖碳化硅材料的外延、芯片制造，拥有国内设备最齐全的研发能力最先进的碳化硅生产线。 非常感谢极智课堂提供了跟大家交流的机会，虽然疫情还未完全过去，但相信国内各个产业的复苏已经近在眼前。非常荣幸在这个时期，与业界同仁就碳化硅器件的产业发展机遇和未来发展深入的交流和讨论。共同合作，一起把握他微功率器件产业的重要历史机遇。也欢迎有需要的用户和同行能够积极地开展合作，共同推进国内碳化硅产业的发展与进步。
问答环节 1.需要负压驱动吗？ 李士颜：目前市场上碳化硅驱动器一般采用负5伏和正20伏的驱动器。当然CREE的三代产品现在应该是负5伏到正15伏的驱动。目前驱动采用负5伏更多的是考虑整个系统工作的安全性，本身碳化硅器件在0伏以下是可以完全关断的。
2.55所的SiC芯片对外销售吗？采用SiC MOS的汽车动力控制单元体积的缩小，主要是哪些部分体积缩小的？ 李士颜： 55所的碳化硅芯片是对外销售的，目前碳化硅二极管产品已经实现了批量的供货销售，整个工艺生产非常稳定。碳化硅MOS方面，在1200伏器件方面，多款产品已经可以实现批量的送样和供货，未来供货量将会进一步提升。 对于采用SiC MOS的汽车动力控制单元体积的缩小，一方面，采用碳化硅功率模块的体积是要小于采用硅器件的。更重要的是，采用碳化硅器件之后，整个系统的工作频率可以实现比较大的提升，在外围的一些相当于是无缘的元件、电感之类的体积都可以实现较大的缩小，碳化硅MOS对冷却系统要求没有硅那么高，所以冷却系统体积方面也会实现比较大的降低。
3.报告中展示的测试数据是基于两英寸吗？数据是实验室数据还是量产数据？对比CREE、ROHM我们55所产品的良率大约多少，那么基于尺寸、良率、工艺等我们的成本如何面对国外产品，也就是价格优势是从哪里获得的？ 李士颜：报告中所展示的数据都是我们四英寸衬底所作的碳化硅产品，在产品中按照标准的抽样考核进行测试，相当反映我们产品基准线的一些工艺数据。 对于产品率和成本方面是国内碳化硅器件生产商所面临的一个重大问题，由于本身工艺线技术平台的不足，国内在这方面与国际上还是有较大的差距。未来随着更大尺寸晶圆的引入，更大批量的生产加工和更优的在线监控技术将会进一步提升成品率和降低成本。
4.碳化硅晶圆生长速度非常慢，能够做晶圆的公司又很少，您提到碳化硅市场会快速增长，将来如何看待晶圆是否可以快速提升供货量并且稳定供货呢？ 李士颜：对于晶圆是否能够快速稳定的供货，这两年感受深刻，由于国外晶圆供货渠道受到了一定的影响，更深刻地意识到国产晶圆的供货意义重大。 不过值得庆幸的是，四英寸晶圆国内基本上可以实现批量供货，供货渠道方面没有问题。但是对于急需的六英寸材料，国内在技术方面和量产方面都还存在较大不足，需要更多的资金投入来进行产能扩产和技术提升。国内企业也已经有意识，比如华为公司入股山东天岳。
5.55所目前的产品，二极管的晶圆是国内晶圆，MOSFET、IGBT的晶圆还是主要靠进口，理解是否正确呢？ 李士颜：目前针对1200伏的产品，二极管和MOSFET都主要采用国内四英寸碳化硅衬底。只有针对超高压的器件，重点偏向于更前沿的产业研发方面，会采用国外的一些衬底作为外援。 未来产业化方面，国内衬底将会成为主流，我们对国内六英寸商用衬底的需求也非常迫切。
6.55所的产品，是否符合车规级别要求呢？是否有车厂已经通过验证了呢？ 李士颜：对于车规级产品的需求，也是下一步碳化硅器件发展的一个重点。目前国际上符合车规级要求的碳化硅器件是非常少的，目前拥有符合车规级要求的生产线，国际上也很少。所以下一步重点将会开展在碳化硅车规级芯片方面的应用。 在批量应用之前，小批量的上车示范应用会是更重要的观念。目前验证还处于初步协调阶段，2021年我们将会有500辆新能源汽车的碳化硅器件装车应用需求。
7.根据现状，衬底进口、良率难控，目前市场呈现出的国产的价格优势是牺牲了利润还是几乎没有利润？预计这样的阶段还要持续多长时间？ 李士颜：两方面来讲。碳化硅肖特基二极管方面，国内的产品良率与国际厂商基本是一致的，因此，在这方面利润其实是可以得到保证的，更多的是市场份额占有的问题。希望国内用户可以给国内的碳化硅器件厂商更多的机会，让我们的产品能够更大量的进入市场，从而保证整个产品的规模和利润的发展。 在碳化硅MOSFET方面，成本比较高，更多的是目前的技术成熟度还有待提高，随着技术程度的提高以及整个批量化生产的提升，良率是会随着产量逐步提升的，因此未来我们产品的成熟度和批量生产上去之后，然后碳化硅MOSFET的成本也会逐步下降，跟国际形成持平甚至稍微占优的结果，因此，未来碳化硅MOSFET的利润也可以得到比较大的保障。 就个人预测，未来五年之内，国内整个碳化硅产业对于投资来说，利润回报率应该可以得到比较明显的提升。
8.SiC器件封装用基板用的是什么，未来又是怎么考虑的 李士颜：据了解，目前这个碳化硅功率模块所采用的基板一般都是氧化铝覆铜基板，或者是氮化铝覆铜基板。未来可能更多是根据功率模块的需求，在基板材料方面，近期应该不会有特别大的变动和更新。
9.目前国内碳化硅芯片在成品率和成本依旧存在进步空间，那么我们现在国产产品在国际同行优势在哪？从哪里能获取利润？ 李士颜：优势在于几点，相对于国外厂商，目前碳化硅芯片的供货周期已是非常长。而且对于产品的定制需求，他们很难满足，国内在这方面会有更多的优势。 售后服务方面，国内企业可以更好地满足国内用户的需求。碳化硅作为新型器件，在应用中所面临的问题，更多的并不是器件本身的问题，而是在使用过程中没有实现跟碳化硅器件的完美配合。这些问题的解决，需要器件的研制单位跟用户单位共同来完善。这方面，国内厂商有更大的优势，可以更快速的对用户问题反应，更快速地提出解决方案。 同时针对国内用户的需求，国内厂商在定制化产品方面也有更好的服务方案。
10.国内新能源汽车SiC器件渗透率大概有多少？如何推动国产器件上车？ 李士颜：、目前国内新能源汽车的功率模块还基本全部采用这个硅的IGBT器件。真正批量化市场应用的碳化硅器件应该是还没有进入市场。 对于如何推动新能源汽车国产碳化硅器件的应用，汽车是安全性要求非常高的产品。新的器件，特别是新能源汽车中，功率控制器是核心器件，要采用碳化硅器件替代，首先要有一个三到五年的示范应用期，这个期间，目前更多是通过国家的一些项目支撑。据了解，目前国家针对新能源汽车碳化硅器件的应用，推出了比如国家重点研发计划的支持。 2021年之后，国产碳化硅器件基本可以实现在新能源汽车上小批量的示范运行。在此基础上，经过两到三年，国产器件将会大批量进入国内新能源汽车应用。
11.请问碳化硅模块相对比IGBT，成本大概增加了多少呢？ 李士颜：就单模块的系统成本来说，基本增加了有六到八倍。但是对于整个电动汽车的电机驱动系统来说，如果能够完全将碳化硅器件的系统优势提升出来，可以在整车成本降低中实现互补。比如采用碳化硅器件之后，对电池的需求会有一定的降低，对整车冷却系统需求有进一步优化，最终整车的成本的降低可以弥补碳化硅模块成本的增加。
（文字根据直播内容编辑整理，略有删减）
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