SiC功率半導(dǎo)體市場(chǎng)起飛 電動(dòng)車(chē)為主要驅(qū)動(dòng)力

碳化矽(SiC)功率半導(dǎo)體具耐高溫、耐高電壓、切換速度快，可降低電力傳輸或轉(zhuǎn)換時(shí)能量損耗等優(yōu)點(diǎn)，已成為以節(jié)能為訴求的光伏、電動(dòng)車(chē)及充電基礎(chǔ)建設(shè)、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域倍受關(guān)注的新興產(chǎn)品。

電動(dòng)汽車(chē)推動(dòng)了SiC功率半導(dǎo)體市場(chǎng)，但成本仍然是個(gè)問(wèn)題。

隨著電動(dòng)汽車(chē)以及其他系統(tǒng)的增長(zhǎng)，碳化硅（SiC）功率半導(dǎo)體市場(chǎng)正在經(jīng)歷需求的突然激增。

但需求也導(dǎo)致市場(chǎng)上基于SiC的器件供應(yīng)緊張，促使一些供應(yīng)商在棘手的晶圓尺寸過(guò)渡期間增加晶圓廠產(chǎn)能。一些SiC器件制造商正從4英寸晶圓過(guò)渡到6英寸晶圓。

SiC是一種基于硅和碳的復(fù)合半導(dǎo)體材料。在生產(chǎn)流程中，專(zhuān)門(mén)的SiC襯底被開(kāi)發(fā)出來(lái)，然后在晶圓廠中進(jìn)行加工，得到基于SiC的功率半導(dǎo)體。許多基于SiC的功率半導(dǎo)體和競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)都是專(zhuān)用晶體管，它們可以在高電壓下開(kāi)關(guān)器件的電流。它們用于電力電子領(lǐng)域，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中電力的轉(zhuǎn)換和控制。

SiC因其寬帶隙技術(shù)脫穎而出。與傳統(tǒng)硅基器件相比，SiC的擊穿場(chǎng)強(qiáng)是傳統(tǒng)硅基器件的10倍，導(dǎo)熱系數(shù)是傳統(tǒng)硅基器件的3倍，非常適合于高壓應(yīng)用，如電源、太陽(yáng)能逆變器、火車(chē)和風(fēng)力渦輪機(jī)。另外，SiC還用于制造LED。

最大的增長(zhǎng)機(jī)會(huì)在汽車(chē)領(lǐng)域，尤其是電動(dòng)汽車(chē)?；赟iC的功率半導(dǎo)體用于電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)載充電裝置，而這項(xiàng)技術(shù)正在進(jìn)入系統(tǒng)的關(guān)鍵部分——牽引逆變器。 牽引逆變器為電動(dòng)機(jī)提供牽引力，以推動(dòng)車(chē)輛前進(jìn)。

對(duì)于這一應(yīng)用，特斯拉在一些車(chē)型中使用了SiC功率器件，而其他電動(dòng)汽車(chē)制造商則在評(píng)估這項(xiàng)技術(shù)。Yole Développement的分析師Hong Lin表示：“當(dāng)人們討論SiC功率器件時(shí)，汽車(chē)市場(chǎng)無(wú)疑是焦點(diǎn)。豐田和特斯拉等先驅(qū)企業(yè)的SiC活動(dòng)給市場(chǎng)帶來(lái)了許多刺激和喧囂。SiC MOSFET在汽車(chē)市場(chǎng)具有潛力。但仍存在一些挑戰(zhàn)，比如成本、長(zhǎng)期可靠性和模塊設(shè)計(jì)。”

據(jù)Yole稱(chēng)，在汽車(chē)和其他市場(chǎng)的推動(dòng)下，2017年SiC功率器件業(yè)務(wù)達(dá)到3.02億美元，較2016年的2.48億美元增長(zhǎng)22%。Lin表示：“由于采用了SiC MOSFET模塊的特斯拉Model 3產(chǎn)能增長(zhǎng)，在汽車(chē)行業(yè)的推動(dòng)下，我們預(yù)計(jì)2018年會(huì)實(shí)現(xiàn)飛躍。”

據(jù)Yole稱(chēng)，到2023年，SiC功率半導(dǎo)體市場(chǎng)預(yù)計(jì)將達(dá)到15億美元。SiC器件的供應(yīng)商包括Fuji、英飛凌、Littelfuse、三菱、安森半導(dǎo)體、意法半導(dǎo)體、Rohm、東芝和Wolfspeed。 Wolfspeed是Cree的一部分。X-Fab是SiC的唯一代工廠商。

制造SiC

電力電子技術(shù)在全球電力基礎(chǔ)設(shè)施中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。這項(xiàng)技術(shù)用于工業(yè)（電機(jī)驅(qū)動(dòng)）、交通運(yùn)輸（汽車(chē)，火車(chē)）、計(jì)算（電源）和可再生能源（太陽(yáng)能、風(fēng)能）。電力電子技術(shù)在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)交流電和直流電（AC&DC）的轉(zhuǎn)換。

對(duì)于這些應(yīng)用，行業(yè)使用的是各種功率半導(dǎo)體。一些功率半導(dǎo)體是專(zhuān)用晶體管，在系統(tǒng)中充當(dāng)開(kāi)關(guān)。它們?cè)试S電源在“開(kāi)”狀態(tài)下流動(dòng)，在“關(guān)”狀態(tài)下停止。

功率半導(dǎo)體是在成熟節(jié)點(diǎn)上制造的。這些器件旨在提高效率并最大限度地降低系統(tǒng)中的能量損失。通常，它們是根據(jù)電壓和其他規(guī)格來(lái)評(píng)定的，而不是根據(jù)工藝尺寸評(píng)定。

多年來(lái)，主流的功率半導(dǎo)體技術(shù)一直（現(xiàn)在仍然）是硅基，即功率MOSFET和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。功率MOSFET被認(rèn)為是最便宜、最流行的器件，用于適配器、電源和其他產(chǎn)品。它們用于高達(dá)900伏的應(yīng)用中。

在傳統(tǒng)的MOSFET器件中，源極和漏極位于器件的頂部。相比之下，功率MOSFET具有垂直結(jié)構(gòu)，其中源極和漏極分別位于器件的相對(duì)側(cè)。垂直結(jié)構(gòu)使器件能夠處理更高的電壓。

最主要的中端功率半導(dǎo)體器件是IGBT，它結(jié)合了MOSFET和雙極晶體管的特性。IGBT用于400伏~10千伏的應(yīng)用。

問(wèn)題在于，功率MOSFET和IGBT正在達(dá)到其理論極限，并且存在不必要的能量損失。器件因傳導(dǎo)和開(kāi)關(guān)而產(chǎn)生能量損失。傳導(dǎo)損耗是由器件中的電阻引起的，而開(kāi)關(guān)損耗是在開(kāi)關(guān)狀態(tài)期間發(fā)生的。

Wolfspeed公司電力營(yíng)銷(xiāo)和應(yīng)用高級(jí)總監(jiān)Guy Moxey表示：“從5伏到幾百伏，硅MOSFET一直都是一種很好的技術(shù)。當(dāng)電壓達(dá)到600伏到900伏時(shí)，硅MOSFET很好，但它開(kāi)始出現(xiàn)能量損失。IGBT是很好的舉重運(yùn)動(dòng)員，但它既不快速也不高效?！?/p>

這便是SiC的用武之地?；?a href="http://wenjunhu.com/tags/氮化鎵/" target="_blank">氮化鎵（GaN）的功率半導(dǎo)體也正在出現(xiàn)。GaN和SiC都是寬帶隙技術(shù)。硅的帶隙為1.1 eV。 相比之下，SiC的帶隙為3.3 eV，GaN的帶隙為3.4 eV。

貿(mào)澤電子（Mouser Electronics）在一篇博客中表示：“電子帶隙是固體材料中價(jià)帶頂部和導(dǎo)帶底部之間的能量間隔。正是這種帶隙使半導(dǎo)體能夠根據(jù)需要開(kāi)關(guān)電流，以實(shí)現(xiàn)特定的電氣功能?！?/p>

寬帶隙器件具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。例如，電動(dòng)車(chē)輛由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器傳統(tǒng)上使用功率MOSFET或IGBT。Wolfspeed公司的Moxey表示：“如果你用SiC替換掉原來(lái)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，那么你的驅(qū)動(dòng)器損耗會(huì)降低80％。這意味著在相同的續(xù)航里程內(nèi)，你可以使用更小的電池。電池越小意味著成本越低?！?/p>

同時(shí)，基于SiC的功率半導(dǎo)體用于600伏~10千伏應(yīng)用。Moxey表示：“600~1700伏電壓適用于大多數(shù)SiC應(yīng)用。當(dāng)電壓達(dá)到3.3~10千伏時(shí)，它非常適合。例如風(fēng)力發(fā)電和小型電網(wǎng)?！?/p>

在電源領(lǐng)域，GaN用于30~600伏的應(yīng)用。Moxey表示說(shuō)：“GaN和SiC是互補(bǔ)技術(shù)，而非競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)?！?/p>

GaN和SiC器件都比硅快，但也更貴。Yole旗下System Plus Consulting部門(mén)設(shè)備主管Elena Barbarini表示：“目前，SiC MOSFET器件的每安培成本比同類(lèi)IGBT高出五倍以上”

2002年，隨著SiC二極管的引入，出現(xiàn)了第一個(gè)基于SiC的器件，隨后在2011年推出了SIC功率MOSFET。與功率MOSFET類(lèi)似，基于SiC的器件是垂直結(jié)構(gòu)。

SiC功率MOSFET是基于SiC的功率開(kāi)關(guān)晶體管。Rohm公司應(yīng)用工程師Mitch Van Ochten解釋說(shuō)：“二極管是一種向一個(gè)方向傳導(dǎo)電流并在相反方向阻擋電流的器件?！?/p>

無(wú)論如何，SiC功率半導(dǎo)體正在增長(zhǎng)。Applied Materials公司戰(zhàn)略與技術(shù)營(yíng)銷(xiāo)總監(jiān)Mike Rosa表示：“硅在功率器件中發(fā)揮著重要作用。但當(dāng)你談到更高的功率和更輕的重量時(shí)，制造商們關(guān)注的卻是像SiC這樣的材料”

基于SiC的器件在晶圓廠中生產(chǎn)，行業(yè)持續(xù)進(jìn)行晶圓尺寸的過(guò)渡。Rosa表示：“4英寸或6英寸晶圓都可以使用SiC。整個(gè)行業(yè)都在拼命追逐8英寸晶圓?！?/p>

事實(shí)上，Cree已經(jīng)完成從4英寸（100mm）晶圓到6英寸（150mm）晶圓的過(guò)渡。Rohm和其他公司正處于過(guò)渡階段。200mm晶圓上的SiC在一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)。

通常，當(dāng)遷移到新的晶圓尺寸時(shí)，每個(gè)晶圓上的裸片數(shù)量將增加2.2倍。更大的晶圓尺寸可以降低整體生產(chǎn)成本。

在數(shù)字CMOS領(lǐng)域，芯片制造商幾年前便從4英寸過(guò)渡到6英寸。對(duì)SiC進(jìn)行相同的過(guò)渡聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)單，但也存在一些挑戰(zhàn)。Lam Research戰(zhàn)略營(yíng)銷(xiāo)高級(jí)總監(jiān)David Haynes表示：“盡管在150mm晶圓上大規(guī)模生產(chǎn)SiC功率器件已經(jīng)經(jīng)過(guò)了近5年的驗(yàn)證，但150毫米的高性能、低缺陷密度SiC襯底的可用性和成本仍然是采用的障礙?！?/p>

Haynes表示：“也就是說(shuō)，隨著向150mm量產(chǎn)的過(guò)渡的實(shí)現(xiàn)，相關(guān)的成本節(jié)約將有助于在越來(lái)越多的應(yīng)用中推動(dòng)商業(yè)可行性。另一個(gè)例子是SiC MOSFET技術(shù)的路線圖。平面SiC MOSFET已經(jīng)在商業(yè)應(yīng)用中得到了一段時(shí)間的驗(yàn)證，但是今天，對(duì)于溝槽結(jié)構(gòu)的SiC MOSFET的開(kāi)發(fā)和商業(yè)化得到了重大推動(dòng)，與平面結(jié)構(gòu)相比，它可以提供明顯更低的導(dǎo)通電阻?！?/p>

同時(shí)，在晶圓廠中，基于SiC的功率器件通常遵循與硅基芯片相同的工藝流程。 但也存在一些差異，例如SiC襯底的開(kāi)發(fā)。

對(duì)于硅基芯片，工藝的第一步是開(kāi)發(fā)原始硅晶圓。為此，將硅晶種放到坩堝中加熱。最后形成的主體被稱(chēng)為硅錠，將其拉制并切成300mm及更小尺寸的硅晶圓。

然而，對(duì)于SiC而言，工藝是將SiC塊狀晶體被放入坩堝中加熱，將得到的錠料拉出并切成薄片。

多年來(lái)，SiC塊狀晶體一直被一種稱(chēng)為微管的缺陷所困擾，微管是在晶體中貫穿的微米大小的孔洞。華威大學(xué)副教授Peter Gammon表示：“微管缺陷和其他會(huì)破壞器件操作的缺陷現(xiàn)在幾乎都消除了。材料供應(yīng)商現(xiàn)在提供零微管產(chǎn)品?！?/p>

一旦SiC晶圓被開(kāi)發(fā)出來(lái)，下一步就是形成SiC襯底。將裸晶圓插入沉積系統(tǒng)中，晶圓上會(huì)生長(zhǎng)出SiC外延層，從而形成SiC襯底。然后，在晶圓廠中對(duì)SiC襯底進(jìn)行加工，并使用檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)缺陷進(jìn)行檢測(cè)。SiC器件容易出現(xiàn)缺陷，尤其是隨著供應(yīng)商轉(zhuǎn)向更大的晶圓尺寸。

KLA-Tencor公司 LS-SWIFT部門(mén)副總裁兼總經(jīng)理Lena nicolades表示：“SiC存在很多缺陷。對(duì)于SiC，我們的檢測(cè)系統(tǒng)使用較短的波長(zhǎng)。它能在襯底中找到間斷點(diǎn)?！?/p>

電動(dòng)汽車(chē)中的SiC

與此同時(shí)，汽車(chē)行業(yè)是整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)中增長(zhǎng)最快的領(lǐng)域。聯(lián)華電子業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁Walter Ng說(shuō)：“越來(lái)越多的客戶正在重新定義他們的產(chǎn)品組合，以適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)和汽車(chē)市場(chǎng)。今年，我們與汽車(chē)相關(guān)的收入大幅增長(zhǎng)。我們預(yù)計(jì)，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，汽車(chē)相關(guān)的收入仍將繼續(xù)增長(zhǎng)?！?/p>

SiC在汽車(chē)領(lǐng)域也出現(xiàn)了增長(zhǎng)，尤其是在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域。電動(dòng)汽車(chē)，包括純電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)，占今天全球汽車(chē)銷(xiāo)量的1%左右。據(jù)Frost＆Sullivan稱(chēng)，在中國(guó)和其他國(guó)家的推動(dòng)下，電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)將從2018年的160萬(wàn)輛增長(zhǎng)到2019年的200萬(wàn)輛。到2025年，市場(chǎng)預(yù)計(jì)將達(dá)到2500萬(wàn)輛。

Lam公司的Haynes表示：“采用電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)肯定會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。然而，在全球范圍內(nèi)，采用的時(shí)間和采用率差異很大，并且與政府政策和消費(fèi)者獲得適當(dāng)價(jià)格的產(chǎn)品和充電基礎(chǔ)設(shè)施密切相關(guān)。毫無(wú)疑問(wèn)，中國(guó)市場(chǎng)是電動(dòng)汽車(chē)的主要增長(zhǎng)引擎。”

在電動(dòng)汽車(chē)中，系統(tǒng)有幾個(gè)領(lǐng)域，例如娛樂(lè)系統(tǒng)、車(chē)載充電器、牽引逆變器等。 牽引逆變器將電池的能量轉(zhuǎn)化給牽引電動(dòng)機(jī)，從而推動(dòng)車(chē)輛前進(jìn)。

SiC正在進(jìn)軍車(chē)載充電器、DC-DC轉(zhuǎn)換器和牽引逆變器。車(chē)載充電器通過(guò)電網(wǎng)為車(chē)輛充電。

圖1：電動(dòng)汽車(chē)中的電力電子技術(shù) （來(lái)源：意法半導(dǎo)體）

DC-DC轉(zhuǎn)換器獲取電池電壓，然后將其降低到較低的電壓，用于控制窗戶、加熱器，以及其他功能。

器件制造商之間的一場(chǎng)大戰(zhàn)正發(fā)生在牽引逆變器領(lǐng)域，尤其是純電池電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域。一般來(lái)說(shuō)，混合動(dòng)力汽車(chē)正朝著48伏電池的方向發(fā)展。對(duì)于電力發(fā)明家而言，SiC對(duì)于混合動(dòng)力汽車(chē)來(lái)說(shuō)通常過(guò)于昂貴，盡管也有例外。

與混合動(dòng)力汽車(chē)一樣，純電池電動(dòng)汽車(chē)也由牽引逆變器組成。高壓母線將逆變器連接到電池和電機(jī)上。電池為汽車(chē)提供能量。推動(dòng)汽車(chē)前進(jìn)的電動(dòng)機(jī)有三根線。

這三根線延伸到牽引逆變器，然后聯(lián)網(wǎng)到逆變器模塊內(nèi)的六個(gè)開(kāi)關(guān)。

每個(gè)開(kāi)關(guān)實(shí)際上是一個(gè)功率半導(dǎo)體，在系統(tǒng)中充當(dāng)電開(kāi)關(guān)。對(duì)于開(kāi)關(guān)，現(xiàn)有的技術(shù)是IGBT。因此牽引逆變器可以由六個(gè)IGBT組成，額定電壓為1200伏。

Rohm公司的Van Ochten表示：“實(shí)際上，它們是電開(kāi)關(guān)。我們可以為這些電開(kāi)關(guān)選擇技術(shù)，它們可以啟用和禁用各種電機(jī)繞組，并有效地使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。用于這種功能的最流行的電子半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)稱(chēng)為IGBT。超過(guò)90%的汽車(chē)制造商都在使用它們。它們是根據(jù)需要將電池電流轉(zhuǎn)換到電動(dòng)機(jī)的最便宜的方式?！?/p>

然而，使用IGBT有一些權(quán)衡。Van Ochten表示：“IGBT可能是最新技術(shù)價(jià)格的三分之一，但它們的速度很慢?！?/p>

這就是業(yè)界瞄準(zhǔn)SiC MOSFET的原因，SiC MOSFET比IGBT具有更快的切換速度。意法半導(dǎo)體寬帶隙和功率射頻業(yè)務(wù)部門(mén)主管Maurizio Ferrara表示：“SiC MOSFET還降低了開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)降低了中低功率水平下的傳導(dǎo)損耗。它們的工作頻率是IGBT的四倍。由于更小的無(wú)源元件和更少的外部元件，因此可以減小重量、尺寸和成本。因此，與硅基解決方案相比，SiC MOSFET可將效率提高90％?！?/p>

所以，對(duì)于牽引逆變器而言，從IGBT轉(zhuǎn)向SiC MOSFET是有意義的。但這并不那么簡(jiǎn)單，因?yàn)槌杀驹诘仁街邪缪葜匾慕巧?/p>

然而，特斯拉已經(jīng)開(kāi)始嘗試冒險(xiǎn)。據(jù)Yole稱(chēng)，特斯拉正在Model 3中使用意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的SiC MOSFET。Yole還補(bǔ)充說(shuō)，特斯拉還使用其他供應(yīng)商的產(chǎn)品。其他汽車(chē)制造商也在探索這項(xiàng)技術(shù)，不過(guò)出于成本考慮，大多數(shù)OEM都沒(méi)有加入這一行列。

不過(guò)，有幾種方法可以實(shí)現(xiàn)從IGBT到SiC MOSFET的轉(zhuǎn)變。據(jù)Rohm稱(chēng)，有以下幾種選擇：

將IGBT留在系統(tǒng)中，但用SiC二極管替換硅二極管。

將IGBT和硅二極管全部用SiC MOSFET和SiC二極管替換。

在逆變器中，有六個(gè)IGBT，每個(gè)IGBT都有一個(gè)單獨(dú)的硅二極管。使用二極管有幾個(gè)原因。Rohm公司的Van Ochten表示：“IGBT無(wú)法承受反向電動(dòng)勢(shì)和過(guò)高的電壓。因此，需要在每個(gè)IGBT上加一個(gè)二極管，以防止在關(guān)閉開(kāi)關(guān)時(shí)破壞它?！?/p>

使系統(tǒng)更有效率的一種方法是替換掉硅二極管。Van Ochten表示：“提高牽引逆變器效率的第一步是將IGBT留下。然后用SiC二極管代替普通的硅二極管。SiC二極管具有更好的性能。這樣可以提高效率?！?/p>

最終的解決方案是用SiC二極管和SiC MOSFET取代IGBT和硅二極管。Wolfspeed公司的Moxey表示：“由于材料的價(jià)格，SiC比硅更貴。但是，如果你的開(kāi)關(guān)速度提高了四、五倍，就可以降低磁性元件和電容器的成本。”

這一切將走向何方？英飛凌汽車(chē)部副總裁Shawn Slusser表示：“當(dāng)我們研究不同的應(yīng)用時(shí)，我們預(yù)計(jì)，充電站和車(chē)載充電器將成為首批采用SiC技術(shù)的應(yīng)用?！?/p>

Slusser表示：“至于汽車(chē)應(yīng)用，我們預(yù)計(jì)IGBT將在未來(lái)十年主導(dǎo)市場(chǎng)。SiC具有高效率、高功率密度的優(yōu)點(diǎn)，但成本較高。這意味著縮小尺寸和縮小電池容量的優(yōu)點(diǎn)需要彌補(bǔ)更高的成本。這就是為什么我們相信SiC將最先用于車(chē)載充電器，因?yàn)楦唛_(kāi)關(guān)頻率下的SiC效率和更小的無(wú)源元件可以補(bǔ)償SiC器件的高成本。只要電池成本節(jié)省多于SiC器件增加的成本，SiC就將被廣泛應(yīng)用于大型電池電動(dòng)汽車(chē)的主逆變器應(yīng)用領(lǐng)域。對(duì)于800伏系統(tǒng)的電動(dòng)汽車(chē)，還有其他優(yōu)點(diǎn)，例如更短的充電時(shí)間、更高的逆變器效率和更低的電纜成本?！?/p>

可以肯定的是，SiC正在升溫，電動(dòng)汽車(chē)也在升溫。如果供應(yīng)商能夠降低成本，那么SiC功率半導(dǎo)體似乎將成為主導(dǎo)者。但這說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難。