第1章 宽禁带半导体
什么是宽禁带半导体
宽禁带半导体（Wide-bandgap semiconductors，WBGs）是一种半导体材料，其带隙比传统半导体更大。
带隙是半导体中价带和导带之间的能量差。宽禁带半导体的带隙比传统半导体更大，因此它们可以在更高的电压、温度和频率下运行。由于宽禁带材料的带隙更大，因此它们可以承受更高的电场强度，从而使电子在材料中移动得更快。
传统半导体如硅的带隙在0.6-1.5eV（电子伏特）范围内，而宽禁带材料的带隙在2eV以上。由于宽禁带材料的带隙更大，因此它们可以在更高的电压、温度和频率下运行。宽禁带半导体用于各种应用，例如太阳能逆变器、电机驱动、电动汽车和电源。
一些宽禁带半导体的例子包括：硅碳化物（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化钛（TiO2）、氮化铝（AlN）、金刚石和氧化锌（ZnO）。这些材料的带隙比传统半导体更大，因此它们可以在更高的电压、温度和频率下运行。
常见的半导体的物理性质如下表所示：
| 特性 | Si | GaAs | GaN | 4H-SiC | β-Ga₂O₃ | Diamond |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 禁带宽度 (eV) | 1.1 | 1.43 | 3.4 | 3.25 | 4.85 | 5.5 |
| 相对介电常数 | 11.8 | 12.9 | 9 | 9.7 | 23-25 | 5.6 |
| 电子迁移率 (cm²/V·s) | 1480 | 8400 | 1250 | 1000 | 40 | 2000 |
| 饱和速度 (×10⁷ cm/s) | 1 | 1.2 | 2.5 | 3 | 2 | 1 |
| 击穿场强 (MV/cm) | 0.3 | 0.4 | 3.3 | 2.5 | 8 | 10 |
| 热导率 (W/m·K) | 148 | 67 | 190 | 490 | 20-80 | 2320 |
| 巴利加优值 | 1 | 14.7 | 846 | 317 | 3334 | 24660 |
SiC（碳化硅）是一种由硅（Si）和碳（C）组成的化合物半导体材料。上面的表格显示SiC具有优异的介电击穿场强度（击穿场）和带隙（能隙），分别比Si大10倍和3倍。因此，作为制作功率半导体器件的材料，SiC可以超越Si。SiC具有各种多晶型（晶体多态性），每种多晶型都显示出不同的物理特性。对于功率器件，4H-SiC被认为是理想的。
应用
应用领域分析
材料 核心优势 典型应用场景 局限性
Si 低成本、成熟工艺 集成电路、低压功率器件、传感器 高频/高压性能差，效率低
GaAs 超高电子迁移率 射频前端（手机基站）、激光二极管 击穿场强低，散热差
GaN 高频高功率结合 5G射频放大器、快充电源、雷达 热导率中等，衬底成本高
4H-SiC 高耐压+高导热 电动汽车逆变器、电网变流器、光伏逆变器 晶圆缺陷率较高，成本高于Si
β-Ga₂O₃ 超高击穿场强、理论成本低 超高压功率器件（＞10 kV） 热导率极低，工艺尚未成熟
金刚石 极限性能（耐压、导热、迁移率） 航天级器件、核反应堆传感器、高频太赫兹 掺杂困难，晶圆尺寸小，成本极高
SiC的介电击穿场强度比Si高，这允许制造具有比Si器件具有更高杂质浓度和更薄厚度的漂移层的高击穿电压功率器件。这导致具有非常低单位面积导通电阻的高击穿电压器件。与Si相比，漂移层电阻每个面积可以在相同的击穿电压下理论上降低到1/300。使用SiC可以实现同时具有“高击穿电压”，“低导通电阻”和“高速度”的大多数载流子器件（肖特基势垒二极管和MOSFET）。此外，其带隙大约是Si的3倍，使得可以在更高温度下操作功率器件（尽管由于包装的耐热可靠性限制，目前保证温度约为150°C至175°C，但随着包装技术的进步，可以实现保证温度高于200°C）。
碳化硅等宽禁带半导体的应用主要分布在电力电子器件、新能源汽车、光伏、机车牵引和微波通讯器件等领域。碳化硅半导体以其制作的器件具有耐高温、耐高压、高频、大功率、抗辐射等特点，具有开关速度快、效率高的优势，可大幅降低产品功耗、提高能量转换效率并减小产品体积，主要应用于以5G通信、国防军工、航空航天为代表的射频领域和以新能源汽车、“新基建”为代表的电力电子领域，在民用、军用领域均具有可观的市场前景。
常用的SiC MOSFET器件与模块
表1：
| 制造商 | SIC MOS模块命名方式 | 命名含义 | 命名规则 |
|---|---|---|---|
| Cree/Wolfspeed | C3M0120065K | 工业级第三代，导通电阻120mΩ额定电压650V的SIC MOS | C:工业级 3:第三代 120:导通电阻 65:额定电压 |
| 意法半导体 | SCT20N120 | 额定电压1200v,额定电流20A导通电阻189mΩ，HiP247封装的功率SIC MOS | STG:意法半导体SIC MOS模块 20:额定电流 120:额定电压 |
| 三菱电机 | BM080N120K | 额定电压等级为1200V,导通电阻88mΩ，电流为36A，封装为TO-247-4的N系列SIC MOS模块 | BM:SIC MOS模块 080:导通电阻 N:系列 120:额定电压类型 |
| 日立 | MSM800FS33ALT | 额定电压3300V，额定电流800A的SIC MOS | M:模型 S:SIC M:2合1 800:额定电流 FS:封装类型 6:额定电压 ALT:芯片类型 |
| 英飞凌 | IMW120R45M1 | 导通电阻为45mΩ,额定电压1200V，T0247-9封装类型的M1系列SIC MOS | I:英飞凌 M:MOSFET W:封装 120:额定电压 R:标识分隔作用 45:导通电阻 M1:SIC第一代系列 |
表2：
下表为意法半导体生产的SIC MOS模块系列分类：
| 系列 | Gen2 | Gen3 | Gen3 | Gen1 | Gen2 | Gen3 | Gen1 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 击穿电压 | 650V | 650V | 700/900V | 1200V | 1200V | 1200V | 1700V |
| 导通电阻 | 18-55mΩ | 14-55mΩ | 11mΩ | 52-520mΩ | 21-75mΩ | 17-70mΩ | 65-700mΩ |
| 主要应用 | OBC&DC-DC、可再生能源、工业驱动 | OBC&DC-DC、太阳能、电源供应 | DC-DC、可再生 能源 | HVAC、电源供应 | OBC&DC-DC、逆变器、充电桩、工业驱动 | 逆变器、DC-DC、电源供应 | DC-DC、电源供应 、可再生能源 |
表3：
| 厂商 | 系列 | 分类 | 型号 | VDSS/VCES | ID/IC | RON/mΩ | 状态 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 日立 | 全SiC | 2in1 | MSM600GS33ALT | 3300 | 600 | 开发中 | |
| 日立 | 全SiC | 2in2 | MSM800GS33ALT | 3300 | 800 | 开发中 | |
| 日立 | 全SiC | 2in3 | MSM900GS17CLT | 1700 | 900 | 开发中 | |
| 日立 | 全SiC | Chopper | MSL800FS33PLT | 3300 | 800 | 开发中 | |
| 日立 | 全SiC | Chopper | MSL800FS33NLT | 3300 | 800 | 开发中 | |
| 日立 | 全SiC | 2in1 SBD | MDM1200F33-C3 | 3300 | 1200 | 批量生产 | |
| 日立 | 混合SiC | 1in1 | MBN1200F33F-C3 | 3300 | 1200 | 批量生产 | |
| 日立 | 混合SiC | 1in2 | MBN1800F33F-C3 | 3300 | 1800 | 批量生产 | |
| 日立 | 混合SiC | 2in1 | MBM1000FS17G2-C | 1700 | 1000 | 批量生产 | |
| ROHM | 封装器件 | SiC MOSFET | 第2代(Planar) | 1200 | 10~40 | 80~450 | 批量生产 |
| ROHM | 封装器件 | SiC MOSFET | 第3代(Planar) | 1700 | 3.7~6 | 750~1150 | 批量生产 |
| ROHM | 封装器件 | SiC MOSFET | 第3代(Trench) | 650 | 21~118 | 17~120 | 批量生产 |
| ROHM | 封装器件 | SiC MOSFET | 第4代(Trench) | 1200 | 17~95 | 22~160 | 批量生产 |
| ROHM | 封装器件 | SiC MOSFET | 第4代(Trench) | 750 | 31~105 | 13~45 | 批量生产 |
| ROHM | 封装器件 | SiC MOSFET | 第5代(Trench) | 1200 | 24~81 | 18~62 | 批量生产 |
| ROHM | 封装器件 | SiC SBD | 第2代 | 650 | 6~40 | 批量生产 | |
| ROHM | 封装器件 | SiC SBD | 第3代 | 1200 | 5~40 | 批量生产 | |
| ROHM | 封装器件 | SiC SBD | 第3代 | 650 | 2~20 | 批量生产 | |
| ROHM | 封装器件 | 全SiC功率模块 | 半桥 | 1200 | 80~576 | 批量生产 | |
| ROHM | 封装器件 | 全SiC功率模块 | 半桥 | 1700 | 250 | 批量生产 | |
| ROHM | 封装器件 | 全SiC功率模块 | chopper | 1200 | 134~576 | 批量生产 | |
| ROHM | 裸片 | SiC MOSFET | 第2代 | 650 | 29 | 120 | 批量生产 |
| ROHM | 裸片 | SiC MOSFET | 第3代 | 1200 | 10~68 | 45~450 | 批量生产 |
| ROHM | 裸片 | SiC MOSFET | 第3代 | 650 | 30~118 | 17~80 | 批量生产 |
| ROHM | 裸片 | SiC MOSFET | 第4代 | 1200 | 24~95 | 22~105 | 批量生产 |
| ROHM | 裸片 | SiC SBD | 第2代 | 650 | 6~15 | 批量生产 | |
| ROHM | 裸片 | SiC SBD | 第2代 | 1200 | 5~30 | 批量生产 | |
| ROHM | 裸片 | SiC SBD | 第2代 | 1700 | 10~50 | 批量生产 | |
| ONSEMI | M1 | ..120SC1 | 1200 | 10~103 | 10~160 | 批量生产 | |
| ONSEMI | M2 | ..170M1 | 1700 | 4.2/81 | 28/960 | 批量生产 | |
| ONSEMI | M2 | ..065SC1 | 650 | 30~163 | 12~95 | 批量生产 | |
| ONSEMI | M3 | ..090SC1 | 900 | 44~148 | 20~60 | 批量生产 | |
| ONSEMI | M3S | 1200 | 34~89 | 22~65 | 批量生产 | ||
| ONSEMI | M3T | 1200 | 74~127 | 14/22 | 批量生产 | ||
| INFINEON | CoolSiC™ MOSFET, 3-Level | F3L11MR12W2M1_B74 | 1200 | 11.3 | 批量生产 | ||
| INFINEON | CoolSiC™ MOSFET, 4-Level | F3L8MR12W2M1HP_B11 | 1200 | 8.1 | 批量生产 | ||
| INFINEON | CoolSiC™ MOSFET, Fourpack | F4-...MR12W… | 1200 | 11~45 | 批量生产 | ||
| INFINEON | CoolSiC™ MOSFET, Half-bridge | FF...MR12W... | 1200 | 1.44~33 | 批量生产 | ||
| INFINEON | CoolSiC™ MOSFET, Sixpack | FS...MR12... | 1200 | 2.75~52.9 | 批量生产 | ||
| INFINEON | CoolSiC™ MOSFET Discretes | IM…65R…M1H | 650 | 22~260 | 批量生产 | ||
| INFINEON | CoolSiC™ MOSFET Discretes | ...IM...120R...M1H | 1200 | 7~350 | 批量生产 | ||
| INFINEON | CoolSiC™ MOSFET Discretes | IMBF170R450M2 | 1700 | 450 | 批量生产 | ||
| INFINEON | CoolSiC™ MOSFET Discretes | IMBF170R650M2 | 1700 | 650 | 批量生产 | ||
| INFINEON | CoolSiC™ MOSFET Discretes | IMBF170R1K0M2 | 1700 | 1000 | 批量生产 |
挑战
碳化硅功率器件面临的挑战主要包括缩放的限制因素、与碳化硅器件较小的管芯尺寸相关的散热问题、管芯上与封装相关的应变以及衬底可用性。此外，碳化硅功率器件的制造成本较高，且生产工艺相对复杂。不过，随着技术的不断发展，这些问题将逐渐得到解决。
随着技术的不断发展，碳化硅衬底的尺寸逐渐扩大，成本也会逐渐降低。例如，8英寸SiC衬底将比6英寸在成本降低上具有明显优势。但是目前实际上仅有Wolfspeed实现8英寸碳化硅量产，而大多数国际企业则将8英寸碳化硅衬底的量产节点定在2023年左右。