【中瑞论坛专题】深圳基本半导体有限公司CEO和巍巍：第三代半导体碳化硅功率器件技术与应用

来源：企业创新最前沿

2019年11月，由中国科学技术协会、深圳市人民政府主办，中国科协企业创新服务中心、广东省科学技术协会、深圳市科学技术协会、南山区人民政府承办的2019中瑞产学研发展论坛在深圳成功举办。

为落实中国与瑞典皇家工程科学院的合作协议，探索中瑞产学研创新合作，促进国内第三代半导体产业的快速发展，论坛以“聚力创新，合作共赢”为主题，举办了“第三代半导体产业高峰论坛”分论坛。深圳基本半导体有限公司CEO 和巍巍为现场观众带来“第三代半导体碳化硅功率器件技术与应用”的主题分享。

碳化硅产业情况

碳化硅作为工业器件来用时有250多种晶形，常用的是4H的碳化硅，这种碳化硅的晶形对比硅来说在材料上有很多的优势，如比硅要好3倍。材料性能上，在它做成工业器件以后就可以有高频、高效、高温和高压的优势，是下一代功率半导体的发展方向。

目前碳化硅功率器件主要应用在650伏以上的电力电子、光伏电器、电动汽车的电机控制器等领域，未来在白色家电、轨道交通、医疗设备、国防军工等领域也会得到广泛的应用。中国、欧盟、日本、美国都有相应的支持政策。市场容量方面，2018年大概是5亿美元，增长速度是年化30%，但是最近这个速度可能会加快，主要原因是电动车的推动。特斯拉已经开始批量使用碳化硅，很多公司也宣布要推进碳化硅的应用，未来发展速度会更快。

国外碳化硅做得比较好，尤其是美国、日本、德国。德国以英飞凌为代表，二极管发展得比较成熟。商业化应用是2001年英飞凌提出的，现在已经过了18年，大概全球有20多家公司可以提供碳化硅二极管的产品。碳化硅的产业链分为几个部分，第一个是衬底，第二个是外延，第三个是工艺，器件的设计、封装以及最后系统的应用。有一些公司是全产业链的，IDM的模式，从衬底到封装到最后应用都有。有一些公司就只做其中的某一些环节，比如说只做衬底，国内东莞等地的公司主要是做外延，深圳基本半导体有限公司主要是做“外延—工艺—封装”环节。

我国是全世界为数不多的、碳化硅全产业链都能做的国家。从各个环节来看，与世界上最领先的水平还有一些差距。比如说衬底，有些公司已经宣布了8寸的衬底，但是国内6寸还没有得到大批量的应用。从外延环节来看差距小一些，从器件来看差距比较大。现在国内只有几家公司能做碳化硅二极管，虽然深圳基本半导体有限公司能够销售商业化的产品，但是与国际先进性还有一定的差距。

我国从政府到民间对这个行业非常重视。有很多的资源，包括前一段时间华为也进行了投资，主要是看重了碳化硅衬底的生产能力，相信有这么多资源的支持，我国碳化硅的行业一定能够得到快速发展。

碳化硅器件的典型应用

首先是电动汽车，DC/AC，OBC，DC/DC，有些公司已经大批量使用这些器件了。DC/DC有些还处于开发阶段，预计2023年左右会推出正式商用的产品。

碳化硅在新能源汽车中的应用，可以把体积缩小、重量减轻，效率可以提高一部分，大概能提高3～8个百分点。现在主流的封装方案还没有确定，各种方案都有，有单管的，也有三向的，未来封装会是哪种还需要进一步的研究。碳化硅器件做电动汽车其实是有相当的难度的，因为车的半导体要求比较高，对于公司来说需要符合TS 16949的标准，在过程中要符合6.3的管控，单管的器件要符合AEC-Q 101和AQG 324等标准。

再有就是产业开发周期比较长，行业壁垒比较高。在国防军工领域有很多项目在合作。据了解，美国的飞机和战舰都有用到碳化硅，航空航天也有用到，在宇宙中用到的寿命比较长一点，也可以做比较高的温度，可以做节能超过200度的产品。另外一个典型应用是在轨道交通上。2013年2月，三菱成为全球首次在轨道交通上使用碳化硅的公司，当时用在了辅助电源上面，体积、重量和效率都有一定的提升。2019年在日本的新干线上，最新型号的N700S已经使用了全套硅，用在主力电器上面，重量可以减少19%，效率和体积都有一定的提升。轨道交通对半导体的要求更高，除了车规级要求以外，对振动、延误、温度、寿命要求都比车规要高一些。

碳化硅的技术进展

碳化硅从材料到器件是一个什么样的过程呢？首先是碳化硅的粉末要有高纯的粉末，经过切、磨、抛得到衬底；然后得到碳化硅的外延片，送到加工厂做全套的工序；再做最后的工序，得到碳化硅的芯片，送到封装厂。可以做单管的封装，也可以做模块的封装，封装之后再把器件给设备公司，集成碳化硅工业器件和驱动器以后，再加上散热器等就可以组装成设备了。

现在主流的衬底是6寸的，有一些大的公司已经展示了8寸的衬底。衬底的方面就是用PVT的方法，需要很高的压力，很高的温度，最后才能长成衬底，而且里面会有很多的缺陷。简单来说，外延就是台阶法生长，通过控制碳和硅的比例来控制浓度，这是常见缺陷形成的过程，这些缺陷都会对碳化硅的器件性能和良品率产生相当大的影响。

简单来说，碳化硅工艺开发的过程可以分为三个部分，第一个是模拟仿真，第二个是工艺开发，第三个是测试分析。首先在仿真软件中对器件进行仿真，然后把仿真的结果进行真正的工艺实现，包括光刻、离子注入等，得到一个器件的晶圆和裸片，再进行性能测试、失效测试等，最后把测试结果反馈给模拟仿真进行优化，整个流程结束后就可以得到符合要求的器件。

工艺过程和硅有一些步骤是不同的，比如外延需要浓度比较高，需要掺杂的粒子是不同的，欧姆接触和其他步骤也有一些不同。从器件结构来看，与硅基本上一样，硅能做到的，碳化硅也都能做。

做碳化硅的公司，二极管这部分大概有20多家，做平面的大概有六七家，做沟槽式的相对来说更难一些，目前商业化的有罗姆。英飞凌二极管产品发展到了第二代，采用了沟槽等技术，做的电流密度非常高，芯片尺寸可以做小，成本也可以进一步降低。

未来会以沟槽型为主，因为天然的就可以做到更低和更小的尺寸，双极性也是一个发展方向。去年有18千伏的项目，希望以后能应用在电网里面。碳化硅能做到18千伏的话，在换流法上需要的器件的数量可以减少很多，整个系统的可靠性就可以得到提高。

目前碳化硅主要沿用了硅的封装，但是为了把碳化硅的性能和优势充分发挥出来，很多厂家都在开发定制化的、专门为碳化硅做的封装。比如，ST开发的模块和深圳基本半导体有限公司开发的模块，另外一个技术难点就是碳化硅的驱动。因为电压，比如说和硅是不一样的，开关频率也很高，响应速度也非常快，这也是能不能把碳化硅器件用好的关键的技术难点。

最后，和巍巍还介绍了深圳基本半导体有限公司。该公司成立于2016年6月，现在有十几位博士，专业的方向覆盖了碳化硅的材料制备、芯片设计、封装测试和驱动应用的各个方面，并得到了深圳市政府和清华大学的大力支持。目前公司的产品主要是碳化硅的二极管，从650伏到1700伏的产品，现在已经量产了，也快得到了认证。目前该公司已经进入小批量量产的阶段，预计在2019年第四季度会和一汽、北汽等公司进行测试。

（根据2019“中瑞产学研发展论坛”速记材料整理）