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SiC器件:以汽车用途为突破口扩大利用

功率器件领域已经进入到Si(硅)、SiC(碳化硅)、GaN(氮化镓)三种半导体材料并用的时代。过去,人们一直利用硅的加工性能良好的特点,借助精雕细琢的元件结构,提高功率器件的性能并扩大其应用。现在,利用宽能隙材料,也就是化合物半导体制造的器件也投入实用,在提高能效、电源系统小型化、提高耐压等方面,其性能已经达到了硅器件无法企及的高度。

现在,有3种材料都在使用的厂商,也有集中于一种材料开拓用途的厂商,各家功率器件厂商之间,在保有的技术和业务方针上存在差别。

此次,日经技术在线以“功率半导体的主角是哪种材料”为主题,邀请到了经常与众多客户企业的系统开发者接触、贴近使用现场的功率器件厂商的工程师,请他们介绍三种材料在现场应用的实际情况。要事先声明的是,工程师们回答的内容只是个人见解,并不代表其所属企业的观点。

三垦电气

三垦电气主要经营功率电子产品,提供半导体、模块和系统等产品。目前在销售多种硅功率器件,SiC肖特基势垒二极管已经投入量产,还计划在2015年内量产SiC FET。在日前举办的展会TECHNO-FRONTIER 2015上,该公司展示了SiC肖特基势垒二极管、MOSFET和常断型GaN晶体管。

SiC器件:以汽车用途为突破口扩大利用0

图:三垦电气在TECHNO-FRONTIER上展示的GaN晶体管、SiC制MOSFET、用来制作肖特基势垒二极管的晶圆

【Q1】按照目前的设想,Si、SiC、GaN三种功率器件的用途有什么差别?

【回答】大容量应用使用SiC器件,电子产品电源的小型化适合使用GaN器件

化合物半导体类的功率器件,应该首先会从替换现有硅器件更有利的高附加值应用开始普及,然后从高耐压高输出功率的应用开始,大范围更新换代。能发挥高速工作的优势、耐压为600V或650V以上的用途估计将采用GaN器件,耐压为1.2kV以上的用途估计将采用SiC器件。

SiC器件可以采用立式结构,用于大容量用途比较具有优势。而GaN器件适合横式结构,可以应用于GaAs HEMT等能够发挥高速开关优势的用途。电路频率升高后,原来在电源电路中占较大空间的变压器随之缩小,整个电源电路趋于小型化。有助于实现个人电脑、手机、服务器电源的小型化和低功耗化。

【Q2】哪些用途是必须使用SiC和GaN等化合物半导体才能实现的?

【回答】纯电动汽车和混合动力车的电机控制系统

SiC器件的主要用途应该是车载设备。可以使纯电动汽车、混合动力车的电机控制系统损失的功率降低到1/10,实现低功耗化。将现在配备的硅制IGBT替换为SiC制MOSFET,可以实现高速开关。如果开发出能充分发挥这一优势的电源电路,将非常有助于高耐压、大功率电路的小型化。而且还能实现高温下工作,从而省去散热部件,还能降低总成本。

【Q3】三种器件是会继续并存,还是会最终统一为一种?

【回答】化合物半导体器件的应用会扩大,但硅器件不会被淘汰

SiC器件随着成本不断降低,已经进入普及阶段。而GaN器件还要先明确有哪些用途、采用有哪些好处。即使化合物器件在进化,企业也并不打算替换掉电源电路使用的所有的硅器件。因为在使用中,低电压部分依然存在,在这些地方,硅器件应该还会继续保持主流地位。

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