來源 ：EET
碳化硅（SiC）屬于第三代半導體材料，具有1X1共價鍵的硅和碳化合物，其莫氏硬度為13，僅次于鉆石（15）和碳化硼（14）。據(jù)說，SiC在天然環(huán)境下非常罕見，最早是人們在太陽系剛誕生的46億年前的隕石中，發(fā)現(xiàn)了少量這種物質(zhì)，所以它又被稱為“經(jīng)歷46億年時光之旅的半導體材料”。
SiC作為半導體材料具有優(yōu)異的性能，尤其是用于功率轉(zhuǎn)換和控制的功率元器件。與傳統(tǒng)硅器件相比可以實現(xiàn)低導通電阻、高速開關(guān)和耐高溫高壓工作，因此在電源、汽車、鐵路、工業(yè)設(shè)備和家用消費電子設(shè)備中倍受歡迎。雖然SiC最后通過人工合成可以制造，但因加工極其困難，所以SiC功率元器件量產(chǎn)化曾一度令研究者們頭疼。
日前，羅姆半導體（ROHM Semiconductor）在深圳舉辦了一場SiC功率器件主題的媒體交流會。作為最早一批將SiC功率元器件量產(chǎn)化的廠商之一，羅姆在2010年成功量產(chǎn)了SiC-DMOS。這次見面會上，羅姆半導體（深圳）有限公司技術(shù)中心經(jīng)理蘇勇錦（上圖）為大家詳細介紹了SiC，并將它與傳統(tǒng)Si功率器件性能進行了對比，最后介紹了當前SiC市場的動向，和羅姆在該領(lǐng)域的產(chǎn)品布局和戰(zhàn)略。
啥是碳化硅（SiC）？
跟傳統(tǒng)半導體材料硅相比，它在擊穿場強、禁帶寬度、電子飽和速度、熔點以及熱導率方面都有優(yōu)勢。
比如，在相同耐壓級別條件下，Si-MOSFET必須要做得比較厚，而且耐壓越高厚度就會越越厚，導致材料成本更高。在柵極和漏極間有一個電壓隔離區(qū)，這個區(qū)越寬，內(nèi)阻越大，功率損耗越多，而SiC-MOSFET可以講這個區(qū)域做得更薄，達到Si-MOSFET厚度的1/10，同時漂移區(qū)阻值降低至原來的1/300。導通電阻小了,能量損耗也就小了，性能得到提升。
相對Si功率器件，SiC在二極管和晶體管的優(yōu)勢特征如下。在二級管中，Ｓi-FRD構(gòu)造電壓可以達到250Ｖ，而換成SiＣ電壓則可達到4000V左右；晶體管中Si-MOSFET可以做到900Ｖ，市場上也有1500Ｖ的，但特性會差些，而SiC產(chǎn)品電壓可達3300V。
那么在功率半導體的所有使用場景中，SiC-MOSFET處于什么位置呢？下圖坐標軸的橫軸是開關(guān)頻率，縱軸是輸出功率，可見SiC-MOSFET的應(yīng)用集中在相對高頻高壓的領(lǐng)域，而普通Si-MOSFET主要用在低壓高頻領(lǐng)域，然后Si-IGBT在高壓低頻率，如果電壓不需要很高，但頻率要很高就選GaN HEMT。
SiC和Si性能大比拼
千辛萬苦研發(fā)出來的SiC器件，和Si器件相比到底哪點好？蘇勇錦認為主要有以下三點：
1、更低的阻抗，帶來更小尺寸的產(chǎn)品設(shè)計和更高的效率；
2、更高頻率的運行，能讓被動元器件做得更?。?/span>
3、能在更高溫度下運行，意味著冷卻系統(tǒng)可以更簡單。
舉例來說更直觀，一款5kW的 LLC DC/DC轉(zhuǎn)換器，其電源控制板原先采用Si IGBT,重量為7kg，體積8,755cc；采用了SiC MOSFET后，重量減到0.9kg，體積減小到1,350cc。這得益于SiC MOSFET的芯片面積僅為Si-IGBT的1/4，并且其高頻特性令損耗比Si-IGBT下降了63%。
另外，SiC-SBD（肖特基二極管）與Si-FRD的恢復特性對比，SiC-SBD的恢復過程幾乎不受電流、溫度影響；
SiC-MOS與Si-IGBT/Si-MOS的開關(guān)特性比較時，開關(guān)off時的損耗大幅減少，體二極管的恢復特性尤其好；
而在模組整體的損耗模擬計算中（3-phase Modulation PWM），羅姆的1200V 600A SiC模組由于具有更低的開關(guān)損耗，所以與IGBT模組（使用額定600A的產(chǎn)品）相比，SiC模組能夠在更高速的開關(guān)條件下發(fā)揮性能優(yōu)勢。
SiC的最熱市場：電動汽車
SiC最初的應(yīng)用場景，主要集中在光伏儲能中的逆變器，數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的UPS電源，智能電網(wǎng)充電站等需要轉(zhuǎn)換效率較高的領(lǐng)域。但是隨著近些年電動和混合動力汽車（xEV）的發(fā)展，SiC也在這個新領(lǐng)域迅速崛起，輻射的產(chǎn)業(yè)包括能源（PV，EV充電，智能電網(wǎng)等）、汽車（OBC,逆變器）、基礎(chǔ)設(shè)施（服務(wù)器）等。此外，電源儲能、充電站是下一步的目標市場。
碳化硅協(xié)同柵極驅(qū)動為電動車與混動提供廣泛的車載應(yīng)用解決方案，主要應(yīng)用在車載充電器、降壓轉(zhuǎn)換器和主驅(qū)逆變器上。
目前主驅(qū)以IGBT為主，SiC應(yīng)用正在研發(fā)中，預計2021年之后可以走向市場。蘇勇錦表示，電動汽車未來有三大趨勢，一是行駛里程延長，二是縮短充電時間，三是需要更高的電池容量。為了順應(yīng)這個趨勢，SiC在汽車應(yīng)用中也會變化，比如OBC在2017年之前是以SiC SBD為主，2017年后SiC SBD＋SiC MOS已經(jīng)成熟；DCDC也在2018年由Si MOS 演變成SiC MOS為主；逆變器目前仍以IGBT＋Si FRD為主，SiC MOS預計在2021年商用；無線充電，SiC SBD＋SiC MOS正在研發(fā)中；用于大功率DCDC（用于快速充電）的SiC MOS也正在研發(fā)中。
在著名的電動方程式（Formula-E）賽車中也用到了SiC技術(shù)，羅姆從2016年的第三賽季開始贊助Venturi車隊。在第三賽季使用了IGBT＋SiC SBD后，與傳統(tǒng)逆變器相比，重量降低2kg，尺寸減小19％，而2017年的第四賽季采用Si MOS＋SiC SBD后，其重量降低6kg，尺寸減小43％。
將SiC逆變器用于電動汽車帶來的經(jīng)濟收益顯而易見，通過SiC可提高逆變器效率3%-5%，降低電池成本/容量，并且SiC MOS有很大機會率先引入高檔車中，因為其電池容量更大。
羅姆的最新SiC產(chǎn)品及產(chǎn)能狀況
目前羅姆的JBS產(chǎn)品線已經(jīng)來到第3代，相比1、2代產(chǎn)品二極管連接處采用肖特基勢壘連接，3代增加了PN連接。在特征上除了前代產(chǎn)品的高耐壓和高溫時VF低外，還具有IFSM大、漏電流小等優(yōu)點。
第3代SiC-MOSFET相比第2代，主要是架構(gòu)從平面型柵極（DMOS）變成了溝槽型柵極（UMOS），這一變化可在同尺寸的條件下，將標準化導通阻抗（Ron）下降50%，同時Ciss下降35%。第4代的UMOS也在研發(fā)當中，預計今年6英寸產(chǎn)品將商用，分為汽車應(yīng)用和非汽車應(yīng)用兩類。
6英寸的SiC MOSFET晶圓
羅姆從2002年就開始進行SiC MOSFET的基礎(chǔ)研究，2004年底開發(fā)出產(chǎn)品原型，在2009年收購做SiC晶圓的德國材料廠商SiCrystal后，擁有了從晶棒生產(chǎn)、晶圓工藝到封裝組裝的完全垂直整合一條龍生產(chǎn)制。2010年，SiC SBD和SiC MOSFET相繼開始量產(chǎn)。
自2017年到2021年，羅姆有階段性的投資在SiC上，計劃到2025年投資850億日元。產(chǎn)能到2021年會提高6倍，到2025年將達到16倍。
根據(jù)市場調(diào)研機構(gòu)Yole Development數(shù)據(jù)，2013年羅姆在SiC市場的份額為12%，而據(jù)富士經(jīng)濟的數(shù)據(jù)，這一數(shù)值在2018年劇增至23%。
所以從市場需求來看，就這個產(chǎn)能依然不夠，因此羅姆在日本國內(nèi)時隔12年再建了一座占地面積20000平方米的Apollo新工廠，主要為SiC器件提供晶圓，已于2019年4月動工，預計2021年投入使用。
除SiC之外，隔離柵極驅(qū)動器（Gate Driver）也是一個很大的市場，目前市場使用光學式隔離驅(qū)動器的仍占80%，但根據(jù)羅姆調(diào)查，隨著電動汽車的小型化要求不斷提高，磁隔離式的比例將在2025年左右超過光學式。羅姆2016年首家開始量產(chǎn)單芯片集成溫度監(jiān)控、電源的磁隔離柵極驅(qū)動器，目前在車載磁隔離柵極驅(qū)動器IC市場占據(jù)80%以上份額，位居全球首位。預計到2021年羅姆的生產(chǎn)能力將提高5倍，到2025年預計提高15倍。
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