SiC器件艳惊功率半导体市场,CREE公司积极推进商用进程

上网时间: 2006年10月01日? 作者:蔡景艳? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:SiC? 二极管? Cree?

硅“统治”半导体器件已50多年,目前仍是最主要的半导体器件材料,但是硅固有的一些物理属性,如带隙较窄、电子流动性和击穿电场较低等特点限制了其在高频高功率器件方面的应用,为此,业界一直在进行新材料的研发。随着在衬底材料增长方面以及器件加工技术上都取得重大进展,碳化硅(SiC)在各类新材料中脱颖而出,在应用方面走在前端。采用SiC的高功率肖特基二极管在2001年已经出现,并在军工应用上取得成功。目前,这类产品正在向商用方向发展,例如,利用SiC肖特基二极管,可在PC、服务器以及移动电话基站等系统里采用可靠、紧凑并且开关频率高的开关模式电源(SMPS)。

SiC器件艳惊功率半导体市场,CREE公司积极推进商用进程_ESMCOL_1

左右均为500W PFC电源, 效率同为94%, 右方因使用SiC二极管,体积缩少40%, 成本降低20%。

目前,在全球SiC晶圆提供商中,Cree公司约占据了四分之三的份额。作为这一产业的领先厂商,除原材料外,该公司还向市场提供采用SiC衬底的功率半导体器件和LED芯片。《国际电子商情》近日采访了Cree亚太有限公司的销售总监严启南,访谈中,他介绍了SiC功率半导体器件的特点,以及在合适的应用上采用这类器件所带来的综合优势。

·相比于Si器件,SiC功率器件的优势体现在哪些方面?

严启南:作为一种宽禁带半导体材料,SiC对功率半导体可以说是一个冲击。这种材料不但击穿电场强度高、热稳定性好,还具有载流子饱和漂移速度高、热导率高等特点。具体来看,其导热性能是Si材料的3倍以上;在相同反压下,SiC材料的击穿电场强度比Si高10倍,而内阻仅是Si片的百分之一。SiC器件的工作温度可以达到600℃,而一般的Si器件最多能坚持到150℃。

因为这些特性,SiC可以用来制造各种耐高温的高频大功率器件,应用于Si器件难以胜任的场合。以SiC肖特基二极管为例,它是速度最快的高压肖特基二极管,无需反向恢复充电,可大幅降低开关损耗、提高开关频率,适用于比采用硅技术的肖特基二极管高得多的操作电压范围,例如,600V SiC肖特基二极管可以用在SMPS中,300V SiC肖特基二极管可以用作48~60V快速输出开关电源的整流二极管,而1,200V SiC肖特基二极管与硅IGBT组合后可以作为理想的续流二极管。

·价格较贵被认为是采用SiC功率器件的一个阻碍,请问您如何看待这一问题?

严启南:单就Si器件和SiC器件的价差来看,确实有较大的差异,但如果从SiC器件带来的系统性能提升来看,将会发现其带来的总体效益远远超过两类器件的价差。在SiC特别适合的高压应用中,如果充分发挥SiC器件的特性,这一整体优势表现得非常明显。

具体来看,其整体优势主要体现在下面几个方面:一是SiC功率器件带来开关损耗的大幅降低,可以大大提高系统的效率;二是因为SiC器件无反向恢复、散热性能好等特点,减少周边器件的使用或者采用体积较小的器件,线路也得到优化,从而在整体上缩减了系统尺寸;最后,因为效率提高、器件精简从而获得了系统整体成本的节约。

·贵公司最近在SiC功率器件的研发上有何新进展?

严启南:除了继续完善较成熟的SiC肖特基二极管产品外,我们目前的SiC功率器件研发主要集中在三类产品上,即零恢复整流器(600/1,200V)、Pin二极管(>2,400V)以及MOSFET(600/1,200/1,800V)。

采用硅材料的MOSFET在提高器件阻断电压时,必须加宽器件的漂移区,这会使其内阻迅速增大,压降增高,损耗增大。阻断电压范围在1,200~1,800V的硅MOSFET不仅体积大,而且价格昂贵。IGBT虽然在高压应用时可降低导通功耗,但若开关频率增加时,开关功耗亦随之增大。因此IGBT在高频开关电源上亦有其本身的限制。而用SiC做衬底的MOSFET,可轻易做到1,000~2,000伏的MOSFET,其开关特性(结电容值,开关损耗,开关波型等)则与100多伏的硅MOSFET相若,导通电阻更可低至毫欧值。在高压开关电源应用上,完全可取代硅IGBT并可提高系统的整体效率以及开关频率。

作者:蔡景艳

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  • 什么是二极管
  • 二极管的英文是diode。二极管是用P型半导体和N型半导体做成的。二极管具有单向导电性,符号是一个三角形旁边划一竖线。三角形表示正极竖线表示负极。二极管的种类很多,用途也很多。如整流二极管、光电二极管、发光二极管、变容二极管、稳压二极管、单结二极管等。

  • Cree公司
  • Cree公司成立于1987年,美国上市公司(1993年,NASDAQ:CREE),是世界化合物半导体材料﹑外延﹑芯片﹑封装与LED照明解决方案为一体的著名制造商和行业领先者。作为全球四大LED生产厂商之一,Cree公司LED照明产品的优势在于氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)等方面独一无二的材料技术与先进的白光技术,拥有1100多项美国专利和2800多项国际专利,使得Cree的LED产品始终处于世界领先水平。

  • SiC是什么意思
  • 碳化硅(SiC)是一种Ⅳ-Ⅳ族化合物半导体材料,具有多种同素异构类型。其典型结构可分为两类:一类是闪锌矿结构的立方SiC晶型,称为3C或β-SiC,这里3指的是周期性次序中面的数目;另一类是六角型或菱形结构的大周期结构,其中典型的有6H、4H、15R等,统称为α-SiC。与Si相比,SiC材料具有更大的Eg、Ec、Vsat、λ。大的Eg使SiC可以工作于650℃以上的高温环境,并具有极好的抗辐射性能。

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