近(jin)幾年來，電(dian)動汽車(che)、電(dian)化(hua)學儲(chu)能(neng)、以及光(guang)伏和風電(dian)等(deng)新能(neng)源市場的(de)快速發展，市場對功率器件的(de)需(xu)求量大增，特別是電(dian)動汽車(che)的(de)興起，讓IGBT常(chang)年(nian)處于供應緊張狀(zhuang)態，且未來幾年(nian)都沒有緩解的跡象。此時，SiC器件也乘勢而起，開(kai)啟了汽車領域(yu)的滲透之路，那么，未來這兩種功率器件將誰主沉浮(fu)呢？

IGBT與SiC的(de)發展歷史(shi)及市場情況

1982年，通(tong)用電氣的(de)B?賈揚?巴利加發明了IGBT，它集合(he)了雙(shuang)極型功(gong)(gong)率晶(jing)體(ti)管（BJT）和功(gong)(gong)率MOSFET的(de)優點(dian)，一經推出，便引起了廣泛(fan)關注，各大半導體公司都投入巨資開發IGBT器件。隨著工藝技(ji)術(shu)的不斷改進和(he)提高，其電性(xing)能(neng)參數和可靠性也日趨完(wan)善。

據Omdia統計，全球IGBT市場規模在過去近十年中保持穩定增長，從2012年的32億美元增長至2021年的70億美元。中國是IGBT最大的市場，占到全球IGBT市場規模的40%左右。另外，根據測算，國內車載IGBT市場的規模大概為60億元，如果按照每年200萬輛的增量計算，車載IGBT需求量至少100億元以上，需求量很大。

目前硅基MOSFET和IGBT器件等高頻功率器件由于技術成熟，已經廣泛應用于各種領域。然而，隨著功率器件使用場合日益豐富，對高效率、高功率密度等性能要求也不斷提升，加上工作環境更加惡劣，硅器件的使用受到了其材料特性的限制，難以滿足需求。為了突破傳統硅基功率器件的設計瓶頸，SiC和GaN等第三代半導體器件開始嶄露頭角。因為這類新材料具有寬禁帶、高飽和漂移速度、高熱導率、高臨界擊穿電場等優點，特別適合制作大功率高壓、高頻、高溫、抗輻照電子器件。

近幾年，基于寬禁帶半導體材料的功率器件制造技術的發展也突飛猛進，許多半導體公司都推出了其商業化的SiC和GaN功率器件。以SiC MOSFET為例，現有的商業化功率器件耐壓范圍達到了650V~1700V，等級(ji)達到了6~60A，SiC模塊(kuai)的耐壓等級(ji)甚至已經達到了幾十(shi)kV。

據Yole統計(ji)，2021年全(quan)球SiC功率器(qi)件的(de)市(shi)場規模(mo)為(wei)10.9億美元，預計(ji)未來(lai)幾(ji)年的(de)年復合增長(chang)率可達(da)34%，至2027年，市(shi)場規模(mo)可達(da)62.9億美元。據悉(xi)，目前(qian)(qian)，SiC MOSFET在(zai)車載OBC和(he)電(dian)(dian)控上在(zai)逐(zhu)漸滲(shen)透。不過(guo)，現在(zai)很多供(gong)應SiC模(mo)塊，包(bao)括OBC和(he)MOSFET的(de)企業，同時也是IGBT的(de)供(gong)應商。 從市(shi)場前(qian)(qian)景來(lai)看(kan)，如(ru)果SiC未來(lai)在(zai)車載上大批量(liang)上量(liang)，產值(zhi)會翻倍(bei)，因為(wei)車載SiC模(mo)組的(de)價(jia)格是傳(chuan)統硅模(mo)塊的(de)3~5倍(bei)，OBC單管(guan)的(de)話是硅模(mo)塊的(de)2倍(bei)。業內人士預計(ji)今年SiC在(zai)國內電(dian)(dian)控領域有10%左右的(de)滲(shen)透，2025年可能(neng)會達(da)到30%~50%的(de)滲(shen)透。

IGBT與SiC的(de)性能對比

前面有(you)(you)提到，IGBT集合了BJT和功率MOSFET的(de)雙重(zhong)優點，它既具(ju)有(you)(you)功率MOSFET的(de)高速和電壓驅動特性，又具有BJT的低飽和壓降和承載較大電流的特點，且具有高耐壓能力。據悉，目前商業化的IGBT模塊耐壓已經做到了6500V，實驗室甚至已經做到了8000V。

目前，IGBT器件的發展趨勢主要是高耐壓、大電流、高速度、低壓降、高可靠性和低成本。近10年來，IGBT器件發展的主要難點在于其器件的物理特性，尤其是溝槽型IGBT的物理特性，通常并不容易達到。主要體現在IGBT的開通速度和損耗、擴展至8英寸和12英寸制造/加工技術的挑戰、緩沖層構成，以及微溝槽設計等方面。

也就是說，要想設計出性能更好的IGBT產品，需要減少產品的損耗，提高開通速度、魯棒性和可靠性，提升工作溫度等方面入手。目前海外IGBT器件廠商，比如、ST、三(san)菱電機等(deng)基本都掌握了場終止(zhi)層（Field-stop，FS）+溝槽柵(zha)IGBT技術，且相繼(ji)推(tui)出了不(bu)同(tong)系列，不(bu)同(tong)規格(ge)的(de)600V~6500V IGBT器(qi)件和模塊產(chan)品。 國內IGBT廠(chang)商由于(yu)(yu)設(she)備和工藝水(shui)平等(deng)因素的(de)影響，目(mu)前還處于(yu)(yu)追趕階段。不(bu)過可喜的(de)是，已經(jing)有(you)不(bu)少(shao)廠(chang)商取得了不(bu)錯(cuo)的(de)進步(bu)，比如國內的(de)賽晶亞太半導(dao)體科技（浙(zhe)江）有(you)限公司（以下(xia)簡稱(cheng)“賽晶亞太半導(dao)體”），其(qi)已經(jing)量(liang)產(chan)的(de)i20 IGBT芯片組，性能達(da)到，甚至有(you)些方面已經(jing)超過了國際(ji)主流廠(chang)商的(de)第4代芯片的(de)水(shui)平。

據資料顯示，i20 IGBT芯(xin)片采用精細(xi)溝槽(cao)柵-場終止型(xing)（Fine Patrn Trench- Field Stop）結構(gou)，并(bing)通過(guo)N型增強(qiang)層（N- Enhancement layer）、窄臺面(mian)（Narrow Mesa）、短溝道(dao)(Low Channel)、超薄基底(Ultra-thin base)、優化(hua)P+（Optimized P+ LAYER）、先進3D結構（Advanced 3D structure）等多項優化(hua)設計，進一(yi)步改善IGBT導通飽和(he)壓降和(he)開關損耗折中性(xing)能(neng)，同時大大增加(jia)了電流可控(kong)性(xing)（di/dt controllability）和(he)短路穩(wen)健性(xing)。

在性能方面，根據賽晶亞太半導體公開的其量產i20模塊與相似封裝技術的IGBT4模塊測試對比來看，兩個模塊的開通損耗基本相當；關斷損耗，采用i20芯片組的模塊略高，但飽和導通壓降更低。

在魯棒性方面，i20采用了魯棒性非常高的IGBT元胞設計，在VDC=800V時，可達到額定電流的4倍，RBSOA高于短路電流水平。

在可靠性方面，i20 ED封裝模塊通過了車規級AQG 324標準中極其重要的高溫高濕反偏試驗（H3TRB）等測試。且在經過1500小時后，仍然沒有出現性能退化。

自2011年CREE公司推出第一代SiC MOSFET后，很多研究人員對SiC MOSFET的特性進行了深入研究。據研究，SiC MOSFET器件可以顯著減小硬開關電路的開關損耗，提高變換器效率。不過在650V低壓場合，現有的SiC器件與硅基功率器件相比開關速度并不占優勢，但在900V以上的場合，SiC的優勢就顯現出來了。

比如說，1200V器件的開關損耗與開關時間相比于硅基功率器件均大大減小。因此，SiC功率器件非常適合于高頻、高壓應用場景。而開關頻率提升后，可以減小系統中無源元件的體積和重量，從而減小整個系統的體積，增加系統的功率密度。

目前，SiC MOSFET技術遇到的主要難點是原材料成本和加工技術，業界均處于著手解決SiC器件在制造、切割、互連和封裝等工藝痛點階段。比如說目前主要的SiC晶圓還是4英寸，6英寸和8英寸的產線還比較少，良率目前也不是很高，因此產量提升還有難度；次要的難點是改進器件理論并積累更多可靠性數據。

隨著Model3率先采(cai)用ST的SiC MOSFET器件后，SiC MOSFET的需(xu)求(qiu)一路(lu)高(gao)漲，目前處于供不應求(qiu)的狀態。而(er)隨著蔚(yu)來(lai)(lai)ET5\ET7、小鵬G9等搭載SIC MOSFET車(che)型的交付及放量(liang)，而(er)襯底和晶圓廠(chang)技術壁壘較(jiao)高(gao)，產能擴張慢等因(yin)素影(ying)響，再加上電動汽車(che)800V平臺的車(che)型越(yue)來(lai)(lai)越(yue)多(duo)，對SiC MOSFET的需(xu)求(qiu)將進(jin)一步放大，未(wei)來(lai)(lai)供給缺口(kou)恐更大。

結語

可以明顯地看到，SiC MOSFET的技術性能優于硅基IGBT，但SiC的總體成本仍然很高，這主要是由于原材料、加工和產量決定的，目前難以充分利用其全部特性。反觀硅基IGBT，目前技術已經非常成熟，經過40多年的持續奮斗，不斷探索與創新，硅基IGBT的參數折中已經達到了極高的水平，可以滿足不同的應用市場需求，而且成本可控。

因此，可以預見的是未來相當長一段時間，硅基IGBT和SiC器件將會共存于市場。即便是電動汽車市場，會極大推動IGBT和SiC器件的發展，由于成本和性能的考量，這兩者也仍然會是共存狀態。

節能減排和低碳經濟必然會推動功率半導體市場的蓬勃發展，IGBT和SiC器件是功率半導體的技術前沿。目前主要的供應商還集中在國外，好在國內企業的發展勢頭也非常好，比如賽晶亞太半導體在2021年6月就完成了其第一條IGBT模塊生產線，并實現了量產，該生產線制造的ED封裝IGBT模塊系列產品已經在數家電動汽車、風電、光伏及工業電控領域企業開展測試，去年年底完成了以晶圓形式向新能源乘用車市場客戶的批量交付。今年年中完成了IGBT模塊批量交付新能源乘用車客戶。此外，該公司SiC MOSFET產品也在布局當中，預計今年推出第一代碳化硅模塊。