派恩杰·苏州大会主题演讲 | 碳化硅功率器件的技术现状与发展趋势
2024年5月22日-23日，由雅时国际（ACT International）主办的“2024半导体先进技术创新发展和机遇大会”于苏州召开，会议针对“化合物半导体材料与制备工艺、功率电力电子器件封装及应用技术、半导体制造与先进封装”这些行业热点话题展开产业高端对话。派恩杰作为第三代半导体领先品牌，拥有深厚的技术底蕴和全面的产业链优势，在碳化硅领域拥有深厚的量产经验，2023年已成功上车100多万辆新能源汽车。
本次受邀参会并于5月23日上午由派恩杰·雷洋博士做出主题演讲，与大家分享交流碳化硅芯片上车经验的综合性能优势。
主讲人-雷 洋
博士，应用主任工程师
会上，雷洋博士就“①SiC MOSFET应用发展趋势、②SiC MOSFET的技术路线对比、③SiC MOSFET新型封装技术”三大模块论点进行了针对性客观分享，并与会上广大业内同仁共同进行了热烈的交流与见解探讨。
一、SiC MOSFET应用发展趋势
据雷洋博士分享，通过YOLE的市场数据，碳化硅功率器件的需求呈现逐年增长的趋势，其在转换容量、转换效率等方面的核心需求已成为用户关注的重点。碳化硅MOSFET替代IGBT，可以通过进一步发挥碳化硅器件耐压高的优势实现。另外，碳化硅MOSFET的开关损耗优势也为其在车载应用中带来了明显的经济效益。
二、SiC MOSFET的技术路线对比
碳化硅MOSFET的价格在近两年明显降低，主要得益于产业链的蓬勃发展和原材料成本的下降。碳化硅MOSFET主要采用平面栅结构、双沟槽结构和半包沟槽结构三种技术路线，其中平面栅结构的优势在于可靠及稳定，双沟槽结构的优势在于沟道密度高，半包沟槽结构虽不具有沟道密度优势，但栅氧层较厚，Cgd较小。平面栅结构工艺已非常成熟，沟槽栅结构的工艺近年来有快速发展，市场份额明显增加，但是最终的优选方案还需要市场进一步验证。从功率半导体器件领域的发展路径来讲，提高功率半导体性能需要缩小元胞尺寸，增大沟道密度。碳化硅材料的击穿场强是硅材料的10倍，设计650V的碳化硅MOSFET与设计65V的硅MOSFET相似，设计1200V的碳化硅MOSFET与设计120V的硅MOSFET相似，因此我们可以参考低压硅MOSFET的发展路径。
在上世纪80年代，平面栅工艺硅MOSFET的元胞尺寸大概在20-30微米，但由于硅材料有扩散效应，无法进一步缩减元胞尺寸，因此只能通过沟槽栅结构进一步缩减元胞尺寸，而SGT结构又进一步解决了沟槽栅Cgd较大的问题。目前，市场上主流的碳化硅器件技术迭代路径基本上都是朝着元胞尺寸缩小的方向，派恩杰半导体在2019年推出的元胞尺寸4.8微米的碳化硅MOSFET量产产品，产品性能至今仍然保持领先。派恩杰半导体所独有的全套碳化硅流片工艺自主知识产权，支持在平面栅结构的技术路线上进一步缩小元胞尺寸，并将在今年推出新一代元胞尺寸更小的碳化硅MOSFET产品，使沟道密度显著提升，实现更高的载流能力和可靠性。
虽然沟槽栅结构在沟道密度上具有优势，但是其导通电阻随温度的变化较大，高温下的导通电阻会明显升高，其主要原因是沟槽栅结构的漂移区电阻占比较大，使总导通电阻的正温度系数较大导致。此外，4H-SiC晶体结构由于具有各向异性，平面栅结构的栅面与沟槽栅结构的栅面的性质有比较大的区别。平面栅的缺陷容易钝化，因此性质相对稳定。沟槽栅的缺陷难以钝化，因此寄生电荷就会对于Vth等参数产生较大的影响。最后，雷洋博士针对碳化硅MOSFET在桥式电路应用中的串扰问题做出了分析，并指出了沟槽栅结构的Cgs/Cgd相对较小，而平面栅结构的Cgs/Cgd相对较大，因此平面栅结构的抗串扰能力更强，驱动电路的设计更为容易。
三、SiC MOSFET新型封装技术
雷洋博士介绍，碳化硅MOSFET的先进封装技术的发展趋势包括提高耐压、提高载流能力、降低开关损耗等几个方向。同时，也关注到新型封装技术在量产时带来的一些好处，并提出了一种新型封装形式——内绝缘型顶部散热表贴封装。此外，分享中雷洋博士还介绍了派恩杰半导体的产品和服务，包括碳化硅MOSFET、碳化硅SBD和氮化镓HEMT等产品，并计划于今年推出首款2000伏的碳化硅MOSFET产品。
会上，派恩杰·雷洋博士与业内各界专业人士互通想法、共议趋势，从专业聊到发展，从发展聊到合作，我们期待下次与大家有更多交流探讨的机会，共同在半导体领域同行更远、探索更深。
展会精彩集锦
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关于派恩杰
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知行合一，创造价值
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专注宽禁带半导体研发、设计和产业化
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主营车规级碳化硅MOSFET、碳化硅SBD和氮化镓功率器件
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拥有国内最全碳化硅功率器件目录
派恩杰半导体
成立于2018年9月的第三代半导体功率器件设计和方案商，国际标准委员会JC-70会议的主要成员之一，参与制定宽禁带半导体功率器件国际标准。发布了100余款650V/1200V/1700V SiC SBD、SiC MOSFET、GaN HEMT功率器件，其中SiC MOSFET芯片已大规模导入国产新能源整车厂和Tier 1，其余产品广泛用于大数据中心、超级计算与区块链、5G通信基站、储能/充电桩、微型光伏、城际高速铁路和城际轨道交通、家用电器以及特高压、航空航天、工业特种电源、UPS、电机驱动等领域。
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