二】宽禁带半导体发展现状与展望：SiC功率半导体材料和器件的发展现状

国外SiC材料现状及趋势

国外6英寸晶圆为主流；8英寸晶圆逐步成熟；

国内SiC材料现状及趋势

国内4英寸成熟，6英寸晶圆逐步成熟；8英寸晶圆正在研发和转换；

SiC材料的成本与价格

随着国内多家SiC单晶衬底厂和外延厂的投产，SiC晶圆的成本在快速下降。据统计国内有192家相关企业涉足SiC。

SiC功率器件的发展历程和发展趋势

国际上6英寸芯片已是主流技术，正在发展8英寸芯片技术；600~3300V/100A 二极管产品已发展到第五代；600~1700V /100A MOSFET产品已发展到第三代；已研制出27kV/20A 规格IGBT器件。

SiC功率器件已应用于电动汽车和充电桩，英飞凌、科锐等巨头已在大力布局；面向高铁机车、智能电网等超高压应用的SiC器件目前仍处于实验室水平。

SiC 肖特基二极管产品

650V、1200V的SiC肖特基二极管（SBD）产品已经完全市场化。国内与国外厂商单看性能指标差别不大

SiC MOSFET产品

目前市场上主要是国外公司产品（Wolfspeed，Infineon，Rohm等），国内处于研发和中试阶段，尚未大批量上市

Cree最新一代mosfet已经达到0.3Ω*mm2

国内SiC MOSFET的研发现状

国内1200V SiC MOSFET验证性器件的技术指标紧追国际水平，但是工程化和市场化的产品有差距

国内主要研发单位：中国中车，西电、电子科大，中电科55所等

为了降低电阻、减小芯片面积，器件结构的整体趋势由平面向沟槽结构转换

SiC IGBT研究进展

国内外的公司和高校、研究所对IGBT进行了研究和开发，但是尚未进入市场。

目前领先单位：美国Cree（Wolfspeed）

国内主要研发单位：中电55所、电子科大，西电、中科院半导体所等

SiC 功率模块产品

SiC功率模块：国外公司占主导

西电SiC功率半导体研究进展：外延生长

研发了具有自主知识产权的SiC外延CVD设备，具备小批量生产的能力。

掌握生长6英寸4H-SiC外延片（0.5~100μm）的n和p型成套生长工艺技术。

西电SiC功率半导体研究进展：终端调制技术

凹槽辅助场限环终端结构：增加了终端区的曲率半径，有效降低了注入区边角的电场强度，将峰值电场位置从表面转移到体内，终端效率从76%提升到90%

渐变掺杂尾区修正JTE终端：通过渐变掺杂尾区修正构造出微型多区效应，弱化边界曲率，实现击穿效率高达99%

不等间距场限环终端结构：解决了大面积器件终端及源区电场均匀性场调制问题，1.2kV~5kV级SiC JBS器件指标接近4H-SiC材料单极极限

单次注入多台阶JTE终端：最终实现了11kV SiC PIN器件

西电SiC功率半导体研究进展：功率密度提升技术

浮动结技术

浮动结JBS器件，降低了器件导通电阻和反向漏电，器件功率密度优值（BFOM）达到8.64GW/cm2，提高了33

浮动结UMOSFET器件，功率优值提升439%，栅电荷降低了30%。

L型围栅体内场调制技术

槽栅拐角的峰值电场降低32.3%，功率密度提升1.5倍

栅界面调控技术：氮化/高温氧化/氮化的三明治

降低界面态密度二个数量级，MOS器件沟道迁移率38cm2/V.s

西电SiC功率半导体研究进展：二极管

研制出650V、1.2kV、3.3kV、5kV、6.4kV系列SiC JBS器件；

10kV/13kV SiC PiN二极管；

单管实现1.2kV/50A，3.3kV/5A，5kV/3A的功率二极管器件

西电SiC功率半导体研究进展：MOSFET

实现短沟道、高良率（>90%）、低特征导通电阻4.1mΩ.cm2的1200V/100A产品研制

1200V/60mΩ SiC MOSFET

西电SiC功率半导体研究进展：SiC中子探测器

SiC中子探测器已实现重大项目应用

SiC功率半导体的发展展望

材料：未来5年内8英寸衬底和外延片技术成熟，缺陷密度下降到可用水平，成本下降；

器件：成本逐渐下降，与同等规格Si功率器件可以比拟；1700V以上MOSFET良率和可靠性问题解决； IGBT产品化；

应用：近期内大量进入储能，光伏，电动汽车市场；中长期内进入电网、铁轨等高压功率市场；

SiC功率肖特基二极管研展望

目前产品研制方向：

提升浪涌、雪崩能力：新器件结构

提高电流密度：新型终端结构，新型封装

降低导通压降：衬底减薄技术，新型金属材料

SiC功率肖特基MOSFET展望

芯片设计优化：减小pitch尺寸，增强电流密度

Trench，SGT，SJ MOS等：导通电阻降低，降低开关损耗，减小器件尺寸

优化终端结构，提高利用率

优化栅氧生长技术

高浓度掺杂，异质结二极管

界面优化，降低散射

SiC功率器件的单粒子效应

目前SiC器件在单粒子辐射下永久漏电损伤阈值低于30%，SEB阈值低于50%，均远低于器件标称电压。

SiC功率MOSFET IP分布

碳化硅功率器件的IP主要集中在日本、欧美等国家的国际公司，国内主要集中在西安电子科技大学等大学和研究机构，相关公司的IP偏少。

作者：张玉明（贾仁需）