SiC肖特基二极管的产业、技术现状与
前景
何 钧 唐亚超 赵 群
扬州扬杰电子科技股份有限公司
新一代宽禁带半导体材料由于具有优异的潜在材料性能，在功率器件中得到了广泛应用，十几年来一直是电子领域的研发热点。其中碳化硅（S i C）功率器件的技术成熟度最高，几年前率先进入实用商品化阶段后，保持了较高的增长势头，吸引了产业界很多关注。相关新能源技术和产业（包括太阳能、风电、混合及纯电动汽车等）的发展更加速了S i C功率器件产业的成长。市场预测，该行业在今后的几年中将保持高达38%的年增长率[1]。
目前主流的S i C功率器件产品，包括用以在900V以上的应用领域替代硅绝缘栅双极型晶体管( I G B T )的金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，以及600V以上应用领域替代硅快速恢复（F R D）的肖特基二极管( S B D ,其中主要的一类又叫做JBS，见后文)。 虽然M O S F E T产品的应用处于迅速的扩张中，并且是厂商研发活动的焦点，但是目前S i C功率器件的商业应用仍然以肖特基二极管为主，并且明显地集中在几个典型的功能和应用领域。与它明显而巨大的优势潜力相比，目前的发展速度实际上是不能令人满意，而且令人意外。在这里，结合应用和器件本身2个方面，介绍一下当前S i C肖特基二极管的技术特征、面临的障碍和今后发展的趋势。
一、市场现状和挑战 1. 成本
目前S iC器件广泛应用的最大障碍还是成本。可以说，如果S iC功率器件的成本能够降到接近于硅器件的水平，那么很多问题就能迎刃而解，而不会是今天这个局面。目前最典型的S iC肖特基二极管产品（600V10A）的市场价格还是同规格硅FRD产品的5 ～6倍以上。对于更大的额定电流的产品，成本差距就更悬殊。实际上，由于市场规模还小，当前为数不多的S i C器件厂商绝大部分都没有足够充分的产能资源，都是在赔本补贴，实际上也无法保证大量供货。因此，能否降低成本，能否保证供应，是下游应用厂商对器件厂家的最大疑
问。在这个问题得到满意答案之前，S i C肖特基二极管的应用被局限在少数不得不用的领域。典型的有下面4个方面。
（1）高端音响
主要利用SiC三极管优良的高温高功率下的放大功能（BJT、JFET、MOSFET），以少畸变、高保真达到最佳音响听觉效果。但是对S i C肖特基二极管也有明显的需求，可以用在不同的电路部分。这是一个追求性能和用户体验，对成本不敏感的行业，是S i C肖特基二极管（同时也是S i C功率器件）的第1个民用下游领域，曾经在早期为S i C功率器件厂家提供了最初的现金流。由于我国缺乏高端音响制造业，在S i C器件行业起步也较晚，未能得到进入这个市场的机会。
（2）服务器电源功率因数校正（PFC）
这主要是因为大量服务器集中放置，耗电较高，同时硅快速恢复二极管（FRD）发热较高。改用SiC-SBD后，提高效率，除了减少耗电，更重要的是降低器件温度，减少散热成本，提高了至关重要的系统可靠性。在新能源汽车兴起之前，服务器电源P F C一度是S i C - S B D最主要的市场。这个应用领域对可靠性的要求较高，已经被欧美日公司占据，国内厂商因为起步较晚，渗透十分困难。图1是一个典型的PFC升压电路图。
（3）光伏微型逆变器升压电路
主要是因为家庭光伏所用的微型逆变器体积较小，需要提高工作频率来减小被动原件的体积。在高频下，硅F R D的效率下降。一些国家和地区（比如欧盟、加州、澳大利亚等）对光伏微逆入网有效率限制，大致为95%左右，这就使得SiC-SBD成为必须的选择。光伏微逆所用的SiC-SBD功率等级较低，应用工况（电路环境）比较理想，对产品的电环境可靠性要求较低，产品质量和成本都比较容易满足要求。这是目前S i C器件厂商主要的利润来源。一旦家庭太阳能通过政策支持等方式普及，S i C功率器件产业必然会有爆发性的发展。
（4）便携式电动车充电机PFC
这个应用考虑与光伏微逆类似，区别是对效率下限并无法规限制，但是由于占用新能源汽车空间和重量载荷的缘故，对小型轻量化的要求更迫切，所以普遍地采用S iC-S B D。相应地，空间和质量限制方面考虑较少的固定式充电桩，SiC-SBD的渗透率就低一些。目前
电动车充电机处于一个爆发性增长阶段，对国产S i C器件的需求很旺盛，是国内厂商必须抓住的市场机会。
２．垂直整合／横向划分／产品标准
成本并不是碳化SBD广泛应用的唯一障碍。比如对于目前的小功率应用，尽管SiC-SBD比对应的硅FRD要贵很多，但是在整个系统成本中，所占比例仍然是微不足道的。以最常见的家用空调为例，使用S i C - S B D，增加的成本只有几元钱。而使用S i C器件代替硅器件，可以降低系统成本（被动元件的尺寸规格）和提高性能效率。在很多场合中，可以轻易补偿器件成本的增加。
现在阻碍S i C - S B D在更广泛的领域应用的因素，还有以下4个方面。①下游用户对S i C器件的性能不了解。功率器件属于最保守的工业领域之一。目前所有的功率器件用户经验，都是关于硅器件的。以全新半导体新材料为基础的S i C器件，和相应的硅器件性质上有很大差别。就以最简单的正向额定电流来说，在一般的一百多摄氏度的工况下，硅器件都要降额使用，大致只有室温下额定电流的1/3。而S i C - S B D的电阻温度系数是正值，反向漏电随温度上升（在一定范围内）也不明显，因此在这种典型工况下，不需要降额使用。也就是说，一个标称10A的S i C - S B D，大致可以对应室温额定电流30A的硅FRD。这样一来，实际上SiC和相应硅产品的价格对比就没有那么悬殊。很多用户仅仅因为不了解这一点，就被被表面上的价格差别吓退。还有客户一定要从硅F R D的使用经验出发，无法解读理解S i C - S B D产品技术手册。比如反复要求厂商测量并提供对于单极器件来说并不存在的反向恢复时间(Trr)和电荷。为了迎合这些用户，SiC-SBD厂商往往不得不扭曲地改写产品技术手册。
②S i C功率器件的使用，还远远不只是一个简单的器件替换的问题（这时候考虑的是最主要的正反向电测试指标），而是一个系统工程。一般来说，使用SiC-SBD替代硅FRD，意味着工作频率的提高，需要使用新的驱动，并且考虑高频下的寄生参数。如果说S i C - S B D的主要电指标（正向压降和反向耐压漏电）大致是以要替代的产品（硅F R D）的指标为目标而设计的话，其次要指标（热阻、电容、电荷、雪崩、浪涌）由于材料特性的关系，与硅F R D的差别就非常之大。而这些差别在新工况下（高频）是无法忽略的。实际上，由于SiC-SBD尚属新一代产品，各个厂商的提供的同样主要指标的产