啥是碳化硅（SiC）?SiC和Si性能大比拼

碳化硅（SiC）屬于第三代半導(dǎo)體材料，具有1X1共價(jià)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(shuō)，SiC在天然環(huán)境下非常罕見(jiàn)，最早是人們?cè)谔?yáng)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(chēng)為“經(jīng)歷46億年時(shí)光之旅的半導(dǎo)體材料”。

SiC作為半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻、高速開(kāi)關(guān)和耐高溫高壓工作，因此在電源、汽車(chē)、鐵路、工業(yè)設(shè)備和家用消費(fèi)電子設(shè)備中倍受歡迎。雖然SiC最后通過(guò)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(dǎo)體（ROHM Semiconductor）在深圳舉辦了一場(chǎng)SiC功率器件主題的媒體交流會(huì)。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(jiàn)面會(huì)上，羅姆半導(dǎo)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(xì)介紹了SiC，并將它與傳統(tǒng)Si功率器件性能進(jìn)行了對(duì)比，最后介紹了當(dāng)前SiC市場(chǎng)的動(dòng)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(dǎo)體材料硅相比，它在擊穿場(chǎng)強(qiáng)、禁帶寬度、電子飽和速度、熔點(diǎn)以及熱導(dǎo)率方面都有優(yōu)勢(shì)。

比如，在相同耐壓級(jí)別條件下，Si-MOSFET必須要做得比較厚，而且耐壓越高厚度就會(huì)越越厚，導(dǎo)致材料成本更高。在柵極和漏極間有一個(gè)電壓隔離區(qū)，這個(gè)區(qū)越寬，內(nèi)阻越大，功率損耗越多，而SiC-MOSFET可以講這個(gè)區(qū)域做得更薄，達(dá)到Si-MOSFET厚度的1/10，同時(shí)漂移區(qū)阻值降低至原來(lái)的1/300。導(dǎo)通電阻小了,能量損耗也就小了，性能得到提升。

相對(duì)Si功率器件，SiC在二極管和晶體管的優(yōu)勢(shì)特征如下。在二級(jí)管中，Ｓi-FRD構(gòu)造電壓可以達(dá)到250Ｖ，而換成SiＣ電壓則可達(dá)到4000V左右；晶體管中Si-MOSFET可以做到900Ｖ，市場(chǎng)上也有1500Ｖ的，但特性會(huì)差些，而SiC產(chǎn)品電壓可達(dá)3300V。

那么在功率半導(dǎo)體的所有使用場(chǎng)景中，SiC-MOSFET處于什么位置呢？下圖坐標(biāo)軸的橫軸是開(kāi)關(guān)頻率，縱軸是輸出功率，可見(jiàn)SiC-MOSFET的應(yīng)用集中在相對(duì)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(wàn)苦研發(fā)出來(lái)的SiC器件，和Si器件相比到底哪點(diǎn)好？蘇勇錦認(rèn)為主要有以下三點(diǎn)：

1、更低的阻抗，帶來(lái)更小尺寸的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和更高的效率；

2、更高頻率的運(yùn)行，能讓被動(dòng)元器件做得更?。?/p>

3、能在更高溫度下運(yùn)行，意味著冷卻系統(tǒng)可以更簡(jiǎn)單。

舉例來(lái)說(shuō)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(fù)特性對(duì)比，SiC-SBD的恢復(fù)過(guò)程幾乎不受電流、溫度影響；

SiC-MOS與Si-IGBT/Si-MOS的開(kāi)關(guān)特性比較時(shí)，開(kāi)關(guān)off時(shí)的損耗大幅減少，體二極管的恢復(fù)特性尤其好；

而在模組整體的損耗模擬計(jì)算中（3-phase Modulation PWM），羅姆的1200V 600A SiC模組由于具有更低的開(kāi)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(kāi)關(guān)條件下發(fā)揮性能優(yōu)勢(shì)。

SiC的最熱市場(chǎng)：電動(dòng)汽車(chē)

SiC最初的應(yīng)用場(chǎng)景，主要集中在光伏儲(chǔ)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(dòng)和混合動(dòng)力汽車(chē)（xEV）的發(fā)展，SiC也在這個(gè)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(chē)（OBC,逆變器）、基礎(chǔ)設(shè)施（服務(wù)器）等。此外，電源儲(chǔ)能、充電站是下一步的目標(biāo)市場(chǎng)。

碳化硅協(xié)同柵極驅(qū)動(dòng)為電動(dòng)車(chē)與混動(dòng)提供廣泛的車(chē)載應(yīng)用解決方案，主要應(yīng)用在車(chē)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(yù)計(jì)2021年之后可以走向市場(chǎng)。蘇勇錦表示，電動(dòng)汽車(chē)未來(lái)有三大趨勢(shì)，一是行駛里程延長(zhǎng)，二是縮短充電時(shí)間，三是需要更高的電池容量。為了順應(yīng)這個(gè)趨勢(shì)，SiC在汽車(chē)應(yīng)用中也會(huì)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(yù)計(jì)在2021年商用；無(wú)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(dòng)方程式（Formula-E）賽車(chē)中也用到了SiC技術(shù)，羅姆從2016年的第三賽季開(kāi)始贊助Venturi車(chē)隊(duì)。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(dòng)汽車(chē)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)收益顯而易見(jiàn)，通過(guò)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(jī)會(huì)率先引入高檔車(chē)中，因?yàn)槠潆姵厝萘扛蟆?/p>

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(lái)到第3代，相比1、2代產(chǎn)品二極管連接處采用肖特基勢(shì)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(shí)VF低外，還具有IFSM大、漏電流小等優(yōu)點(diǎn)。

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(biāo)準(zhǔn)化導(dǎo)通阻抗（Ron）下降50%，同時(shí)Ciss下降35%。第4代的UMOS也在研發(fā)當(dāng)中，預(yù)計(jì)今年6英寸產(chǎn)品將商用，分為汽車(chē)應(yīng)用和非汽車(chē)應(yīng)用兩類(lèi)。

6英寸的SiC MOSFET晶圓

羅姆從2002年就開(kāi)始進(jìn)行SiC MOSFET的基礎(chǔ)研究，2004年底開(kāi)發(fā)出產(chǎn)品原型，在2009年收購(gòu)做SiC晶圓的德國(guó)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(kāi)始量產(chǎn)。

自2017年到2021年，羅姆有階段性的投資在SiC上，計(jì)劃到2025年投資850億日元。產(chǎn)能到2021年會(huì)提高6倍，到2025年將達(dá)到16倍。

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)Yole Development數(shù)據(jù)，2013年羅姆在SiC市場(chǎng)的份額為12%，而據(jù)富士經(jīng)濟(jì)的數(shù)據(jù)，這一數(shù)值在2018年劇增至23%。

所以從市場(chǎng)需求來(lái)看，就這個(gè)產(chǎn)能依然不夠，因此羅姆在日本國(guó)內(nèi)時(shí)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(dòng)工，預(yù)計(jì)2021年投入使用。

除SiC之外，隔離柵極驅(qū)動(dòng)器（Gate Driver）也是一個(gè)很大的市場(chǎng)，目前市場(chǎng)使用光學(xué)式隔離驅(qū)動(dòng)器的仍占80%，但根據(jù)羅姆調(diào)查，隨著電動(dòng)汽車(chē)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(guò)光學(xué)式。羅姆2016年首家開(kāi)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(dòng)器，目前在車(chē)載磁隔離柵極驅(qū)動(dòng)器IC市場(chǎng)占據(jù)80%以上份額，位居全球首位。預(yù)計(jì)到2021年羅姆的生產(chǎn)能力將提高5倍，到2025年預(yù)計(jì)提高15倍。