兼聊“国产替代”之实测结果
过去的25年，化合物半导体（包括以砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）为代表的第二代、第三代半导体）技术取得了令人瞠目的进展，其中一颗耀眼的明星非第三代半导体中的SiC莫属！
天外来客
硅与碳的唯一合成物就是碳化硅，俗称金刚砂。天然碳化硅晶体一般被称为莫桑石，是流星撞击产生的材料，在自然界中很罕见，因法国化学家亨利•莫瓦桑（Henri Moissan）1893年首先发现而得名。
1907年，在马可尼公司工作的无线电先驱者亨利·约瑟夫·朗德（Henry Joseph Round）通过SiC传递电流，无意中发现了令他惊讶的发光现象，创造了第一个碳化硅发光二极管（SiC LED）。
因其硬度很高，合成碳化硅粉末通常用作工业中的机械研磨剂；在电子行业中主要用作高光洁度抛光膜。由于SiC熔点较高，也经常被用于高温、高压环境。利用当代技术，人们用SiC开发出高强度、持久耐用的工业级陶瓷，广泛用于汽车制动器和离合器、防弹背心陶瓷板等应用。SiC也被用于高温、高压环境中工作的半导体电子设备，如火焰点火器、电阻加热元件及恶劣环境下的电子元器件。在避雷器中也有SiC的身影，所利用的是其达到阈值电压前具有较高电阻的特性。
一个世纪的探索之路
20世纪初，电力电子技术在开始走向成熟。最早的例子之一是1902年开发的用作交直流转换的汞弧整流器。30年代初，硒取代了汞，直到50年代才被硅所取代。在那个时代，工程师发明了第一批硅双极结型晶体管（BJT）和金氧半场效晶体管（MOSFET），但是直到70年代后期，后者才用在电力电子领域。硅功率电子器件的最后一个重大突破是80年代的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。
由于SiC本身结构的多变性，SiC的产业化晶体生长探索之路持续了整个20世纪，至今仍在不断探索和完善。70年代，前苏联生产出黄色SiC LED，90年代中村修二发明的高亮度蓝色GaN LED在世界范围内广泛生产，2014年他获得了诺贝尔物理学奖。不过，SiC仍然常见于GaN器件的衬底，同时还用作高功率LED散热器。
在电力电子领域，SiC的引入实现了下一个重大的材料突破。美国陆军、空军、海军、美国航空航天局（NASA）和美国国防部高级研究计划局（DARPA）都为这些努力提供了支持，并从90年代初开始资助该计划。为了使SiC成为主流技术，SiC晶圆必须更便宜、更大且缺陷更少。如果缺陷密度没有大幅度下降，就不可能生产出具有足够面积的在高电流下工作的器件。
碳化硅的黄金时代
作为一种宽带隙半导体，与传统硅基器件相比，SiC的击穿场强是传统硅基器件的10倍，导热系数是传统硅基器件的3倍，非常适合于高压应用。SiC器件能够实现更低的导通电阻、更高的开关速度，适应更高温的工作环境。90年代末，SiC成为了我们生活中不可或缺的一部分，应用于汽车、手机、雷达和一系列其他应用中。
Cree共同创始人、功率与射频业务CTO John Palmour回忆道，1987年，曾在北卡罗来纳州立大学工作的一组研究人员创立公司时，就知道这种材料在商业应用中作为半导体和LED的前景如何，但还不知道如何实现这一目标。最初开发的第一个商业化蓝色LED及第一个SiC衬底直径仅为1英寸，而且价格昂贵。
1991年，其旗下Wolfspeed推出世界上第一个2英寸商业化SiC晶圆，为制造SiC和GaN器件提供了业界最强大、最优质的材料。
商用方面的重要突破是在1996年，当时碳化硅基氮化镓（GaN-on-SiC）蓝色LED被用在大众汽车仪表板上，标志该技术已经成熟到可以被主流汽车厂商采用的程度。SiC材料的供应是这种认可的关键，从那时开始一直保持到了今天。
生产高质量SiC衬底的挑战性在于，有200多种与多种多型体相关的晶体结构，而只有少数几种适合半导体市场。除了复杂性，晶体生长还需要接近2500℃的温度。人们很难感觉到这么高的温度——只有太阳温度的一半，却远远超过1700℃熔岩的温度。
生产SiC晶圆的一个主要障碍是臭名昭著的微管缺陷。在一个阶段，人们认为微管只是SiC固有的，因此无法消除。而且，这并不是唯一的主要绊脚石，SiC上的氧化层本来就不可靠，从而阻碍了可靠的MOSFET的制造。即使克服了这两个令人生畏的问题，如果SiC晶圆尺寸不足以允许器件在成本敏感型应用中使用，那么也将无济于事。
90年代，从事SiC材料研究的还有英飞凌、三菱电机、罗姆、意法半导体（ST）等。
给力的开始
2001年是宽带隙电力电子产业诞生的一个里程碑，英飞凌推出首款宽带隙功率电子产品SiC肖特基势垒二极管（SBD），填补了市场空白，为电力电子设计人员提供了一种效率更高的器件来控制电流。此前，硅和GaAs肖特基势垒二极管仅限于在250V以下阻断电压，以避免在高温下加剧的高泄漏电流。英飞凌的器件可以承受300V和600V电压，同时可以承受高达1A的电流，在散热方面好得多，为在电源中的部署提供了优势。
英飞凌在其奥地利工厂中使用2英寸SiC晶圆制造这些器件，目标功率范围为200W至1000W。这样，这些二极管就可以用于服务器和无线基站。最初愿意从硅二极管转到SiC的设计者获得了很好的回报。他们的电源更可靠，效率更高，而且更小、更轻。因为SiC二极管可以提高工作频率，为减小无源元件尺寸和重量打开了大门。
2002年，Cree也推出了第一款SiC肖特基势垒二极管，意法半导体、罗姆也紧随其后。在此期间，工程师开发并改进了工艺，解决了上面提到的微管缺陷问题，生产出具有有限晶体缺陷的单晶锭，晶圆尺寸也从2英寸发展到3英寸、4英寸、6英寸和现在8英寸。这些都为2011年初推出首款商用SiC MOSFET铺平了道路。
从那时起，衬底的尺寸和质量都增加了，价格却下降了，二极管经过了多次迭代，增加了复杂性。到2018年，英飞凌已有六代产品，650V SiC肖特基势垒二极管能够处理4A至20A的电流。
期待已久的晶体管
但是，尽管有了有助于减少损耗的宽带隙二极管，但电路设计人员知道，如果将其与SiC晶体管配对，其性能会更好，因为这将提高开启和关闭电流的效率。
碳化硅器件的初创企业和老牌制造商都在应对这一挑战。美国SemiSouth Laboratories（已于2013年倒闭）成立，于2008年推出第一款商用1200V结型场效应晶体管（JFET）。几个月后，一个替代方案出现了，TranSiC推出了双极结型晶体管（BJT），如今百度搜索TranSiC却是“南京成灿科技有限公司”。但是，这两种类型的SiC晶体管均未赢得设计师的青睐。虽然两者均具有SiC的优势——快速开关和低导通电阻特性，但均处于“常开”状态。从安全角度来看，这是一个巨大的问题。尽管可以通过添加其他器件来创建常开型混合动力车，但这是一个蹩脚的解决方案。
设计人员渴望有一种更高效的嵌入式IGBT的替代产品。SiC MOSFET在这两个方面都具有优势，但生产难度很大。如何制造高质量的氧化层是一项需要多年解决的难题。这是位于器件核心的关键层，位于SiC和金属触点之间。工程师采用硅产业的任何技巧都不走运，因此他们不得不寻找替代方法，例如热生长工艺，通过在氮气中退火来解决。
到2010年，SiC行业中两个最大的竞争对手开始量产SiC MOSFET，但谁都没有赢得这场比赛，并未打开应用的闸门，高价阻碍了销售。在推出产品后不久，Digikey出售的Cree SiC MOSFET零售价仍在80美元以上。
Cree在2011年生产了第一款商用1200V MOSFET。在此期间，一些公司也开始尝试将SiC肖特基二极管裸片应用到电力电子模块中。事实上，SiC肖特基二极管已广泛用于IGBT电源模块和功率因数校正（PFC）电路。
从那以后，价格开始下降，生产商的数量也增加了。得益于扩展的产品组合和改进的性能，在阻断电压和电流处理方面有了更多选择。
2011年，富士电机称，将扩增SiC功率半导体产线，2012年春季开始量产。
2013年，三菱电机推出第一代由SiC MOSFET和SiC SBD组成的SiC功率模块。
2014年，意法半导体首次发布1200V SiC MOSFET晶圆和评估板，创下业内领先的200℃额定工作温度。
2016年，英飞凌宣布以8.5亿美元现金收购Cree旗下功率和射频部门Wolfspeed，一年后，因双方无法确定解决美国外国投资委员会（CFIUS）关注的国家安全问题的替代方案，交易被终止。幸亏没卖！如今的SiC和GaN如日中天了。
2019年，意法半导体整体收购了开发和生产150mm SiC晶圆和外延片的Norstel AB，加速碳化硅研发进程，应对SiC晶圆产能紧缺。
今年6月，ROHM推出了其第四代1200V SiC MOSFET；三菱电机也推出了新款1200V SiC MOSFET；宇通集团宣布在中国交付其首款采用SiC动力总成的电动客车。10月，东芝推出新款1200V SiC MOSFET；Cree以高达3亿美元的价格将LED业务出售给SMART Global Holdings，并将第三代产品组合扩展到了十几个。
所有这些活动都在推动销售的增长，今年SiC MOSFET的净收入可达8500万美元，预计到2025年将达到3.48亿美元。
科普一下晶圆相关知识
晶圆是制作集成电路用的晶片，各种电路元件结构都是在其上蚀刻形成的。晶圆的材料是硅（或SiC等），其形状为圆形，故称晶圆。其原料是高纯度多晶硅形成的圆柱形单晶硅棒，经研磨、切片、抛光后形成晶圆。晶圆制备包括衬底（substrate）制备和外延（epitaxy）工艺。作为衬底使用的晶圆片可以直接进入晶圆制造环节生产半导体器件，也可以进行外延工艺加工生产外延片。外延是在单晶衬底上生长一层新单晶的过程，新单晶可以与衬底为同一材料，也可以是不同材料。
为电子元件制造商设计和生产创新半导体材料的Soitec给出的晶圆处理流程，以及生产功率器件的SiC衬底和外延衬底图非常形象。
态度决定创新
回顾过去25年中这些里程碑，追求创新一直是SiC厂商的巨大推动力。在许多障碍中，有些障碍是无法克服的。一些人尝试然后放弃，而另一些人则直面这些挑战。
有人曾说，SiC中的微管无法消除，不能制造出大于2英寸的晶圆，也不可能制造出不会退化的双极器件。凭借坚定的信心，业界证明了所有这些谬论都是错误的。
在制造出第一个2英寸SiC衬底之后，行业相继突破了4英寸和6英寸壁垒，现在正在攻克8英寸晶圆，不久的将来将实现量产。展望未来，SiC从未比现在更光明，它将在各种应用中扮演越来越重要的角色。
车规应用是最大的机会
SiC的最大机遇之一是电动汽车，能够应用于汽车是其成熟的重要标志。现在，一些首批采用这种材料的汽车已经问世，几乎所有全球制造商都在未来的设计中加入了这项技术，这将在未来几年中锦上添花。
用SiC器件代替硅器件，电动汽车的行驶里程可以延长5％至10％，或减少昂贵的电池成本。这一优势迅速将SiC定位为逆变器和车载充电器、充电桩的必要组件。对于那些考虑购买电动汽车的人来说，行驶里程是一个重要因素，也对销量有巨大影响。
对电动汽车制造商来说，SiC的使用并不总是溢价，因为与使用硅技术相比，SiC可以使整体成本下降。随着他们从400V过渡到800V系统，其优势会进一步增强。
Cree首席执行官Gregg Lowe在接受采访时表示：“到2030年，SiC的需求将增加至200亿美元以上，电动汽车的大规模扩张及相关充电需求是主要推动力。我们看到，全球汽车制造商宣布的电动汽车投资已超过3000亿美元，例如福特的110亿美元，将在2023年前推出40款电动汽车；大众的250亿美元，将在2030年前制造所有300种汽车的电动车版本。”
“国产替代”，看用户敢不敢用？
2020年，是半导体行业一个承上启下的年代。市场分析公司Yole Développement功率电子与化合物半导体团队技术与市场分析师Anna Villamor博士称：“中国在多个功率电子应用细分市场中占据领先地位，已成为功率电子产业的新角色。”他也表示，尽管中国是电动汽车和混合动力车最大的市场，但在中国系统中集成的功率模块仍有很大一部分是由外国供应商们供货的。
Yole在刚刚发布的《2020年功率电子产业态势》报告中指出，2020年功率电子产业正在发生重大转变，面对新冠疫情爆发的影响、供应链的深入重组，中国在功率电子器件制造业中不断增强竞争力，为打造中国制造的功率电子做出努力。
近年来，国内已初步建立了相对完整的SiC产业链体系，在央地政府政策的支持及市场需求驱动下，国内企业正在努力跟跑赶超。
不过，对国内用户来说，敢不敢用国产器件仍有待考量。前不久，我接触了一些国内做SiC MOSFET的厂商，也看到了一些可喜的成果。例如，有的厂商（不便透露公司名及公布测试结果和曲线图）将国外几家知名公司同类器件与自己研发的产品（均为1200V 80mΩ SiC MOSFET非车规）进行了同等条件的各种测试，其中一个是Hammer运行，所测4颗器件的结果有点令人意外：
几家国外公司中，A公司器件运行24小时后设备报警，一颗器件失效（G-S（栅-源极）短路），其余3颗器件Vth（阈值电压）下降0.3V以上；B公司器件运行520小时后设备报警，一颗器件失效（G-S短路），其余3颗器件继续运行至720小时，三颗器件的Vth和Rdson（导通电阻）漂移；C公司器件运行760小时后设备报警，一颗器件失效（G-S短路，Idss（饱和漏源电流）严重漏电），另有两颗器件Vth下降，Rdson增加。同时测试的国产器件无一失效，上述指标也基本没有变化。
在50V/ns 20A条件下对近10家厂商器件的Eon/Eoff（开通/关断损耗）测试显示：国产器件的几项指标综合来看与国外公司器件不相上下；在20A 1000A/us条件下的反向恢复时间指标也是如此。
另外一些家电和其他功率相关应用的用户，为了用国产器件替代国外器件，也进行了以国产SiC MOSFET直接替代国外知名公司同类器件的尝试，做了同等条件的测试，结果令人满意。
这无疑是一个好消息。如果你相信以上数据，无疑将会给国内用户吃下一颗定心丸！
