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3.3kV SiC准备好成为主流了吗？

来源:宽禁带半导体技术创新联盟发布时间:2023-06-05

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在2021年，TechInsights讨论了当时远高于商用电压标准的碳化硅(SiC)器件的前景[1]。GeneSiC推出了业界首款广泛使用的分立3.3 kV SiC MOSFET，我们在SiC功率平面图报告中[2]对其进行了分析。

我们在当时发布的博客中指出了高压(HV) SiC裸片商业化的几个挑战：

“为了实现高达10kV的MOSFET，快速、高质量的外延解决方案是关键，这样就可以以合理的成本生产高达100微米的厚漂移区域。”
“开发高压SiC设备的一个主要考量因素是其终端的设计，即围绕有源载流中心的设备的无源区域。”

“1200V MOSFET的终止可能会使用一个植入阶段来实现，以创建场环结构；它将占用不超过50A芯片的4%。在高压下需要更复杂的结端扩展，通常需要两个植入物才能有效，并且可以占据10kV, 50A芯片面积的30%。”

我们还指出，在某些方面，在更高的电压下制造变得更加简单，“例如，10kV MOSFET的开发和制造与1200V额定器件非常相似。”由于额定电压3.3kV及以上的器件的漂移区电阻贡献较大，因此无需更大的晶圆减薄以减少基板电阻或沟槽设计以减少通道电阻。

两年后，我们到哪了？SiC MOSFET是否准备好颠覆目前由硅绝缘栅双极晶体管（IGBTs）主导的工业驱动和牵引市场?

Microchip加入3.3kV SiC MOSFET市场

去年Microchip发布了他们的第一条3.3kV SiC MOSFET产品线，有41A和11A变体，可在TO-247-4L封装中使用，他们还提供了104A裸晶片。TechInsights在SiC电源平面图报告中分析了41A, 80mOhm的MSC080SMA330器件[3]。

图1显示了横跨MOSFET阵列的扫描电镜(SEM)图像。该结构与较低额定电压的SiC平面MOSFET没有明显的不同，只是电池间距宽8.5μm, P-body植入更深。

图1：3.3 kV MSC080SMA330 SiC MOSFET有源阵列的扫描电镜图像。

图2显示了具有一组保护环的终端区域，从MOSFET阵列边缘到芯片边缘的空间逐渐增加。该区域宽270μm，占整个模具面积的18.75%。另外，请注意30μm厚的SiC外延区。

图2：3.3 kV MSC080SMA330 SiC MOSFET终端区域的扫描电镜图像。

表1总结了TechInsights迄今为止对市售3.3 kV SiC MOSFET关键指标的分析。

表1：市售3.3 kV SiC MOSFET的关键指标

展望-市场将在2023年升温?

在我们上一篇博文发布后的两年后，从商业角度来看，进展似乎很慢；然而，研究和开发仍在继续。TechInsights认为:“高压设备发展的唯一障碍是600-1700V市场的规模和竞争，而电动汽车是背后的推动力。”相比之下，高压应用的市场规模相比之下是非常小的。因此，要想进入这一领域，要么需要这些更大的市场达到饱和，要么需要像GeneSiC这样更灵活的公司继续引领潮流。”

今天仍然如此；实施大型基础设施项目，如新的高速机车网络或改造电网，其开发周期比新的消费产品甚至电动汽车都要长。

有理由相信潮流正在转变。正如TechInsights在不久前发布的PCIM Europe 2023 -产品公告和亮点博客[4]文章中所讨论的那样，英飞凌宣布推出采用3.3 kV SiC MOSFET芯片的CoolSiCTM XHPTM 2大功率模块[5]。Wolfspeed最近还发布了用于牵引和工业应用的3.3 kV LM SiC半桥模块[6]。随着这些大公司陆续发布商业产品，我们似乎正处于这些电压下有意义的SiC市场渗透的风口浪尖。

请持续关注该博文的后续内容。TechInsights合作伙伴PGC咨询公司的Peter Gammon教授将从学者的角度阐述这项技术的现状。

References:
[1] 博客-Prospects for Commercial High Voltage Silicon CarbideDevices: https://library.techinsights.com/reverse-engineering/blog-viewer/1612#name=Power%2520Semiconductor
[2]报告- GeneSiCG2R120MT33J 3300V 120 mΩ SiC MOSFET Power Floorplan Analysis: https://library.techinsights.com/reverse-engineering/a6rf3000000PDbhAAG/analysis/a6pf3000000Cg8IAAS/analysis-view/PFR-2102-801#sidebar=true
[3] 报告- MicrochipTechnology MSC080SMA330 SiC MOSFET Power Floorplan Analysis： https://library.techinsights.com/reverse-engineering/a6rf3000000PDbhAAG/analysis/a6pf3000000Cg8IAAS/analysis-view/PFR-2205-802#sidebar=true
[4] 博客 - PCIM Europe 2023 – Product Announcements and Highlights： https://library.techinsights.com/reverse-engineering/blog-viewer/628074#name=Power%2520Semiconductor
[5] https://www.infineon.com/cms/en/about-infineon/press/market-news/2023/INFGIP202305-105.html
[6] https://www.wolfspeed.com/3300v-lm-silicon-carbide-half-bridge-power-modules/

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