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 器件相對于 Si 器件的優(yōu)勢主要來自三個方面：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 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)到對應(yīng) Si 產(chǎn)品2~3 倍時，由系統(tǒng)成本減少和性能提升帶來的優(yōu)勢將推動 SiC 逐步占領(lǐng) Si 器件的市場空間。

▲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。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：汽車是最大驅(qū)動力

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， 2017~2023 年，SiC 功率器件市場將以每年 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 在電動車用市場空間將快速成長到 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 在電動車市場規(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 器件在四個關(guān)鍵領(lǐng)域提升電動汽車的系統(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的電能損耗是混合動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。在相同功率等級下，全 SiC 模塊的封裝尺寸顯著小于 Si模塊，同時也可以使開關(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)在電動汽車全球頂級賽事“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，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，且這一市場在2023 年之前保持 44%的增長。

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