第三代半導(dǎo)體材料: SiC的興起與未來

SiC：極限功率器件的理想材料 

1、 SiC：極限功率器件的理想的材料

SiC 是由硅和碳組成的化合物半導(dǎo)體材料，在熱、化學(xué)、機(jī)械方面都非常穩(wěn)定。C 原子和 Si 原子不同的結(jié)合方式使 SiC 擁有多種晶格結(jié)構(gòu)，如4H、6H、3C 等等。4H-SiC 因?yàn)槠漭^高的載流子遷移率，能夠提供較高的電流密度，常被用來做功率器件。

SiC 從上個(gè)世紀(jì) 70 年代開始研發(fā)，2001 年 SiC SBD 商用，2010 年 SiCMOSFET 商用，SiC IGBT 還在研發(fā)當(dāng)中。隨著 6 英寸 SiC 單晶襯底和外延晶片的缺陷降低和質(zhì)量提高，使得 SiC 器件制備能夠在目前現(xiàn)有 6英寸Si基功率器件生長線上進(jìn)行，這將進(jìn)一步降低SiC材料和器件成本，推進(jìn) SiC 器件和模塊的普及。

▲SiC 功率器件的發(fā)展歷史

SiC 器件相對(duì)于 Si 器件的優(yōu)勢(shì)主要來自三個(gè)方面：降低電能轉(zhuǎn)換過程中的能量損耗、更容易實(shí)現(xiàn)小型化、更耐高溫高壓。

降低能量損耗。SiC 材料開關(guān)損耗極低，全 SiC 功率模塊的開關(guān)損耗大大低于同等IGBT模塊的開關(guān)損耗，而且開關(guān)頻率越高，與IGBT模塊之間的損耗差越大，這就意味著對(duì)于 IGBT 模塊不擅長的高速開關(guān)工作，全 SiC 功率模塊不僅可以大幅降低損耗還可以實(shí)現(xiàn)高速開關(guān)。

低阻值使得更易實(shí)現(xiàn)小型化。SiC 材料具備更低的通態(tài)電阻，阻值相同的情況下可以縮小芯片的面積，SiC 功率模塊的尺寸可達(dá)到僅為 Si 的 1/10 左右。

更耐高溫。SiC 的禁帶寬度 3.23ev，相應(yīng)的本征溫度可高達(dá) 800 攝氏度，承受的溫度相對(duì) Si 更高；SiC 材料擁有 3.7W/cm/K 的熱導(dǎo)率，而硅材料的熱導(dǎo)率僅有 1.5W/cm/K，更高的熱導(dǎo)率可以帶來功率密度的顯著提升，同時(shí)散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更簡單，或者直接采用自然冷卻。

▲SiC 能大大降低功率轉(zhuǎn)換中的開關(guān)損耗

▲SiC 更容易實(shí)現(xiàn)模塊的小型化、更耐高溫

2、 SiC 產(chǎn)業(yè)鏈：歐美占據(jù)關(guān)鍵位置

SiC 生產(chǎn)過程分為 SiC 單晶生長、外延層生長及器件制造三大步驟，對(duì)應(yīng)的是產(chǎn)業(yè)鏈襯底、外延、器件與模組三大環(huán)節(jié)。

SiC 襯底：SiC 晶體通常用 Lely 法制造，國際主流產(chǎn)品正從 4 英寸向 6 英寸過渡，且已經(jīng)開發(fā)出 8 英寸導(dǎo)電型襯底產(chǎn)品，國內(nèi)襯底以4 英寸為主。由于現(xiàn)有的 6 英寸的硅晶圓產(chǎn)線可以升級(jí)改造用于生產(chǎn) SiC 器件，所以 6 英寸 SiC 襯底的高市占率將維持較長時(shí)間。

SiC 外延：通常用化學(xué)氣相沉積（CVD）方法制造（碳化硅用石墨碳盤），根據(jù)不同的摻雜類型，分為 n 型、p 型外延片。國內(nèi)瀚天天成、東莞天域已能提供 4 寸/6 寸 SiC 外延片。

SiC 器件：國際上 600~1700V SiC SBD、MOSFET 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，主流產(chǎn)品耐壓水平在 1200V 以下，封裝形式以 TO 封裝為主。價(jià)格方面，國際上的 SiC 產(chǎn)品價(jià)格是對(duì)應(yīng) Si 產(chǎn)品的 5~6 倍，正以每年 10%的速度下降，隨著上游材料器件紛紛擴(kuò)產(chǎn)上線，未來 2~3年后市場(chǎng)供應(yīng)加大，價(jià)格將進(jìn)一步下降，預(yù)計(jì)價(jià)格達(dá)到對(duì)應(yīng) Si 產(chǎn)品2~3 倍時(shí)，由系統(tǒng)成本減少和性能提升帶來的優(yōu)勢(shì)將推動(dòng) SiC 逐步占領(lǐng) Si 器件的市場(chǎng)空間。

▲SiC 器件生產(chǎn)流程

▲SiC 產(chǎn)業(yè)鏈及主要工序

全球 SiC 產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)美國、歐洲、日本三足鼎立態(tài)勢(shì)。其中美國全球獨(dú)大，全球 SiC 產(chǎn)量的 70%~80%來自美國公司，典型公司是 Cree、Ⅱ-Ⅵ；歐洲擁有完整的 SiC 襯底、外延、器件以及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈，典型公司是英飛凌、意法半導(dǎo)體等；日本是設(shè)備和模塊開發(fā)方面的領(lǐng)先者，典型公司是羅姆半導(dǎo)體、三菱電機(jī)、富士電機(jī)等。

▲SiC 產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)公司

3、SiC 市場(chǎng)：汽車是最大驅(qū)動(dòng)力

SiC 器件正在廣泛地被應(yīng)用在電力電子領(lǐng)域中，典型市場(chǎng)包括軌交、功率因數(shù)校正電源（PFC）、風(fēng)電（wind）、光伏（PV）、新能源汽車（EV/HEV）、充電樁、不間斷電源（UPS）等。根據(jù) Yole 的預(yù)測(cè)， 2017~2023 年，SiC 功率器件市場(chǎng)將以每年 31%的復(fù)合增長率增長， 2023 年將超過 15億美元；而 SiC 行業(yè)龍頭 Cree 則更為樂觀，其預(yù)計(jì)短期到 2022 年，SiC 在電動(dòng)車用市場(chǎng)空間將快速成長到 24 億美元，是 2017 年車用 SiC整體收入（700 萬美元）的 342 倍。

▲SiC 器件應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

▲2022 年 SiC 在電動(dòng)車市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到 24 億美金

SiC 是制作高溫、高頻、大功率、高壓器件的理想材料之一，技術(shù)也已經(jīng)趨于成熟，令其成為實(shí)現(xiàn)新能源汽車最佳性能的理想選擇。與傳統(tǒng)解決方案相比，基于 SiC 的解決方案使系統(tǒng)效率更高、重量更輕及結(jié)構(gòu)更加緊湊。目前 SiC 器件在 EV/HEV 上應(yīng)用主要是功率控制單元、逆變器、DC-DC 轉(zhuǎn)換器、車載充電器等方面。

▲SiC 器件在四個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域提升電動(dòng)汽車的系統(tǒng)效率

新能源車的功率控制單元（PCU）。PCU 是汽車電驅(qū)系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，管理電池中的電能與電機(jī)之間的流向、傳遞速度。傳統(tǒng) PCU 使用硅基材料半導(dǎo)體制成，強(qiáng)電流與高壓電穿過硅制晶體管和二極管的時(shí)的電能損耗是混合動(dòng)力車最主要的電能損耗來源。而使用 SiC 則大大降低了這一過程中能量損失，將傳統(tǒng) PCU 配備的 Si 二極管置換成 SiC 二極管，Si IGBT 置換成 SiC MOSFET，就可以降低 10%的總能量損耗，同時(shí)也可以大幅降低器件尺寸，使得車輛更為緊湊。豐田中央研發(fā)實(shí)驗(yàn)室（CRDL）和電裝公司從 1980 年代就開始合作開發(fā) SiC 半導(dǎo)體材料，2014 年雙方正式發(fā)布了基于 SiC 半導(dǎo)體器件的新能源汽車 PCU，是這一領(lǐng)域的典型代表。

▲采用 SiC 的 PCU 尺寸大大減小

▲羅姆的 SiC 賽車用逆變器明顯降低重量及尺寸

車用逆變器。SiC 用在車用逆變器上，能夠大幅度降低逆變器尺寸及重量，做到輕量化與節(jié)能。在相同功率等級(jí)下，全 SiC 模塊的封裝尺寸顯著小于 Si模塊，同時(shí)也可以使開關(guān)損耗降低75％（芯片溫度為 150° C）；

在相同封裝下，全 SiC 模塊具備更高電流輸出能力，支持逆變器達(dá)到更高功率。特斯拉 Model 3 采用了意法半導(dǎo)體（后來增加了英飛凌）生產(chǎn)的SiC逆變器，是第一家在主逆變器中集成全SiC功率模塊的車企。2017年 12 月 2 日，ROHM 為 VENTURI 車隊(duì)在電動(dòng)汽車全球頂級(jí)賽事“FIAFormula E” 錦標(biāo)賽第四賽季中提供了采用全 SiC 功率模塊制造的逆變器，使得相對(duì)于第二賽季的逆變器尺寸下降 43%，重量輕了 6kg。

車載充電器。SiC 功率器件正在加速其在車載充電器領(lǐng)域的應(yīng)用趨勢(shì)，在今年的功率器件展 PCIM Europe 2018（2018 年 6 月 5~7 日在德國紐倫堡舉行）上，多家廠商推出了面向 HEV/EV 等電動(dòng)汽車充電器的 SiC功率器件產(chǎn)品。據(jù) Yole 統(tǒng)計(jì)，截至 2018 年有超過 20 家汽車廠商在自家車載充電器中采用 SiC SBD 或 SiC MOSFET 器件，且這一市場(chǎng)在2023 年之前保持 44%的增長。

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