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本次技术分享围绕碳化硅功率器件的现状及发展趋势展开，介绍了其在国家战略中的地位、应用场景、材料优势、市场情况、国内外发展进展及复旦大学相关研究成果。
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功率半导体的国家战略与应用场景
- 国家战略地位
：功率半导体受到国家高度重视，相关政策包括02专项（2006）、工业强基专项（2016）、新基建（2020）、碳达峰&碳中和（2020）以及国家十四五规划和2035远景目标纲要（2021-03-13）等，体现了其在国家发展中的重要性。 - 广泛应用场景
：涵盖5G基站的通信电源、充电桩的电源模块、数据中心的服务器电源、特高压的直流断路器、城际高铁的牵引变流器、新能源车的电机控制器、光伏的逆变器、风电的变流器、激光雷达的开关电源以及国防军工的全电推进等多个领域。
宽禁带半导体的优势及碳化硅应用市场
- 宽禁带半导体优势
：以SiC、GaN为代表的宽禁带半导体与硅基半导体相比，具有10倍击穿场强（可使Ron降至1/300）、3倍禁带宽度（带来极低本征载流子浓度，耐高压高温能力）、3倍热导率（提升散热能力，有助于提高功率密度），是实现高效率能量转换、小型化、低系统成本的更佳选择。 - 碳化硅典型应用市场
：新能源汽车是碳化硅功率半导体的绝对C位市场，光、储、充则构成第二梯队市场，资料来源为Yole Development (Power SiC 2022)。
功率半导体发展规律及碳化硅发展时间线
- 发展规律周期（Hype Cycle）
：Si器件（IGBT）稳步增长，技术和市场大幅变动概率小，国内外差距在缩小但登顶困难；SiC & GaN器件逐渐成熟，市场接受度放量提升，国内外差距比硅器件小，主要体现在上游材料；超宽禁带器件（Ga₂O₃，AlN，Diamond）处于早期探索阶段，10年内难导入实际应用。 - 碳化硅发展时间线
：经历了SiC SBD（IFX, Cree）、SiC JFET、SiC BJT、SiC MOSFET（Cree, Rohm）等阶段，SiC IGBT在EV Traction Inverter（如Tesla Model 3）中得到应用。受益于衬底及外延材料缺陷密度下降和栅氧层可靠性提升，SiC MOS逐渐具备商业化价值，大尺寸、低缺陷、低成本晶圆结合成熟芯片制成工艺是产业发展的最大推力。
主流碳化硅功率器件结构及比导通电阻发展趋势
- 主流器件结构
：包括JFET、Planar MOSFET、Trench MOSFET、SBD embedded MOSFET、Monolithic SiC power IC等，资料来源于United SiC, Cree, Infineon, Rohm, Mitsubishi等企业。 - 比导通电阻发展趋势
：Wolfspeed, ST Micro, onsemi采用Planar gate结构，Rohm, Infineon, Bosch采用Trench gate结构。1200V MOSFET Rsp在2.3 – 2.8 mΩ·cm²之间，受工艺成熟度与稳定性影响，沟槽栅器件暂时未全面超越平面栅结构。
碳化硅头部企业产能扩张布局
- 科锐
：投资10亿美元建造SiC材料生产线和晶圆制造厂，新工厂于2022年通线，2024年预计整体产能达到年产72万片。 - 罗姆
：2019年在日本开工建设SiC晶圆厂，2021年投入使用，预计2021年产能达到年产5万片，2025年产能达到年产12万片。 - 英飞凌
：从2018年开始每年投入数亿欧元用于6吋SiC产线扩建和8吋SiC技术研发。 - 昭和电工
：作为SiC外延片供应商，2017年至2019年连续三年扩大SiC外延片产能，月产能提升至9000片。 - X-Fab
：德州工厂于2019年产能翻番以满足近期需求，并添加了外延生长能力。
国家政策扶持
- 政策支持
：多项政策推动碳化硅功率半导体发展，如工信部2019年12月发布的《重点新材料首批次应用示范指导目录》将相关第三代半导体产品列入目录；国务院2019年12月发布的《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》要求加快培育布局第三代半导体产业；科技部2020年04月发布的《“战略性先进电子材料”重点专项2020年度项目》支持功率碳化硅芯片和器件在移动储能装置中的应用；工信部2021年01月发布的《基础电子元器件产业发展行动计划（2021-2023年）》强调加快相关产业发展；2021年03月十三届全国人大四次会议审议通过的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035远景目标纲要》提出发展碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体。
国内碳化硅功率半导体产业化进展
- 国内外对比
：在SiC衬底方面，国际6英寸2015年产业化，8英寸预计2022年量产，国内4英寸批量量产，6英寸小批量且缺陷密度高；SiC外延国际<12 um多腔生长，>30 um质量控制良好，国内<12 um单/多腔生长，>30 um缺陷密度高；SiC器件国际二极管和MOSFET均成熟且批量量产，国内二极管相对成熟批量量产（红海），MOSFET小批量量产；产业链国际衬底-外延-设计-制造闭环有成本优势，研发和产业化迅速，国内各节点均有布局但有5-10年差距，研发与产业化割裂。2022年国内SiC新项目总投资超476亿。
复旦大学碳化硅功率半导体研究成果
- 研究平台
：复旦大学与华大半导体共建研究平台，2020年成立，张清纯教授任中心主任，依托上海市碳化硅功率器件工程中心、宁波宽禁带半导体材料与器件研究所及上海积塔6吋SiC产业化代工生产线（2019年底启动、2020年6月通线、2020年10月SBD实现量产、2021年1月MOSFET量产，下一代SiC MOSFET制造技术计划2022年研发，2023年开放代工）。 - SiC SBD成果
：达到国际领先水平，具有新型二极管专利结构和独创先进制造工艺。Gen-I在与竞品尺寸相同情况下，正向导通电压降低>0.1V，导通损耗降低10%以上；Gen-II芯片尺寸降低35%以上，显著降低材料成本和开关损耗30%以上。以1200V/15A SiC二极管为例，同等面积下正向导通压降VF（25℃时1.38V vs 竞品1.50V，175℃时1.80V vs 2.00V）、反向漏电流IR（25℃时1µA vs 35µA，175℃时7µA vs 120µA）、正向浪涌电流IFSM（140A vs 87A）等参数均优于竞品，且通过车规级可靠性（AEC-Q101），1000小时高压、高温、高湿可靠性实验后参数稳定。 - SiC MOSFET成果
：实现快速技术迭代，2020.12完成1200V/70mΩ工程批并通过相关可靠性验证；2021.06完成1200V/60mΩ工程批，比导通电阻4.0 mΩ·cm²；2021.12完成1200V/75mΩ工程批，比导通电阻3.3 mΩ·cm²；2022.04工艺平台通过车规级可靠性验证，完成1200V/14mΩ产品开发；2022.10 1200V/75mΩ通过AEC-Q101及HV H3TRB可靠性验证；2023 Q2计划实现Gen-II MOSFET 2.8 mΩ·cm² @VGS = 15V。以1200V/75mΩ产品为例，国内首家量产15V驱动SiC MOSFET，其导通电阻75mΩ、开关能量损耗369μJ、结壳热阻0.7℃/W、持续工作电流38A、栅极电荷40nC等参数与国际竞品相比表现优异，且国内首次公开报道能同时通过AEC-Q101车规可靠性认证及高压HV-H3TRB双重考核，1000小时相关实验后参数稳定。新能源汽车电驱动系统用1200V/14mΩ SiC MOSFET国内导通电阻最低，电气性能达国际领先水平，2022年6月开始送样测试，其最小导通电阻在15V驱动下17mΩ，18V驱动下14mΩ，与国际知名公司产品相比具有竞争力。模块封装测试中静态和动态特性均表现良好，静态电气性能主要参数达国际领先水平，开关波形平滑，高频阻尼效应突出，振荡不明显。
总结
- 市场前景
：随着新能源汽车、光伏、充电桩等应用对系统效率的不断追求，功率半导体市场将迎来前所未有的增速。 - 碳化硅优势与挑战
：SiC MOSFET在多方面性能远超传统Si基器件，有望在多个领域逐渐实现替代，可靠性与成本是商业化的核心。 - 未来发展方向
：新型器件结构、高沟道迁移率、超级结、SiC-IGBT、SiC-IC是工业界及学术界的努力方向。
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