碳化矽(SiC):經歷46億年時光之旅的半導體材料

2020-12-03 電子工程專輯

碳化矽（SiC）屬於第三代半導體材料，具有1X1共價鍵的矽和碳化合物，其莫氏硬度為13，僅次於鑽石（15）和碳化硼（14）。據說，SiC在天然環境下非常罕見，最早是人們在太陽系剛誕生的46億年前的隕石中，發現了少量這種物質，所以它又被稱為「經歷46億年時光之旅的半導體材料」。BtXEETC-電子工程專輯

SiC作為半導體材料具有優異的性能，尤其是用於功率轉換和控制的功率元器件。與傳統矽器件相比可以實現低導通電阻、高速開關和耐高溫高壓工作，因此在電源、汽車、鐵路、工業設備和家用消費電子設備中倍受歡迎。雖然SiC最後通過人工合成可以製造，但因加工極其困難，所以SiC功率元器件量產化曾一度令研究者們頭疼。BtXEETC-電子工程專輯

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功率元器件量產化的廠商之一，羅姆在2010年成功量產了SiC-DMOS。這次見面會上，羅姆半導體（深圳）有限公司技術中心經理蘇勇錦（上圖）為大家詳細介紹了SiC，並將它與傳統Si功率器件性能進行了對比，最後介紹了當前SiC市場的動向，和羅姆在該領域的產品布局和戰略。BtXEETC-電子工程專輯

啥是碳化矽（SiC）？

跟傳統半導體材料矽相比，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勢。BtXEETC-電子工程專輯

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，這個區越寬，內阻越大，功率損耗越多，而SiC-MOSFET可以講這個區域做得更薄，達到Si-MOSFET厚度的1/10，同時漂移區阻值降低至原來的1/300。導通電阻小了,能量損耗也就小了，性能得到提升。BtXEETC-電子工程專輯

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相對Si功率器件，SiC在二極體和電晶體的優勢特徵如下。在二級管中，Ｓi-FRD構造電壓可以達到250Ｖ，而換成SiＣ電壓則可達到4000V左右；電晶體中Si-MOSFET可以做到900Ｖ，市場上也有1500Ｖ的，但特性會差些，而SiC產品電壓可達3300V。BtXEETC-電子工程專輯
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那麼在功率半導體的所有使用場景中，SiC-MOSFET處於什麼位置呢？下圖坐標軸的橫軸是開關頻率，縱軸是輸出功率，可見SiC-MOSFET的應用集中在相對高頻高壓的領域，而普通Si-MOSFET主要用在低壓高頻領域，然後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。BtXEETC-電子工程專輯

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SiC和Si性能大比拼

千辛萬苦研發出來的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：BtXEETC-電子工程專輯

1、 更低的阻抗，帶來更小尺寸的產品設計和更高的效率；BtXEETC-電子工程專輯
2、 更高頻率的運行，能讓被動元器件做得更小；BtXEETC-電子工程專輯
3、 能在更高溫度下運行，意味著冷卻系統可以更簡單。BtXEETC-電子工程專輯

舉例來說更直觀，一款5kW的 LLC DC/DC轉換器，其電源控制板原先採用Si IGBT,重量為7kg，體積8,755cc；採用了SiC MOSFET後，重量減到0.9kg，體積減小到1,350cc。這得益於SiC MOSFET的晶片面積僅為Si-IGBT的1/4，並且其高頻特性令損耗比Si-IGBT下降了63%。BtXEETC-電子工程專輯
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另外，SiC-SBD（肖特基二極體）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；BtXEETC-電子工程專輯
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SiC-MOS與Si-IGBT/Si-MOS的開關特性比較時，開關off時的損耗大幅減少，體二極體的恢復特性尤其好；BtXEETC-電子工程專輯
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而在模組整體的損耗模擬計算中（3-phase Modulation PWM），羅姆的1200V 600A SiC模組由於具有更低的開關損耗，所以與IGBT模組（使用額定600A的產品）相比，SiC模組能夠在更高速的開關條件下發揮性能優勢。BtXEETC-電子工程專輯

SiC的最熱市場：電動汽車

SiC最初的應用場景，主要集中在光伏儲能中的逆變器，數據中心伺服器的UPS電源，智能電網充電站等需要轉換效率較高的領域。但是隨著近些年電動和混合動力汽車（xEV）的發展，SiC也在這個新領域迅速崛起，輻射的產業包括能源（PV，EV充電，智能電網等）、汽車（OBC,逆變器）、基礎設施（伺服器）等。此外，電源儲能、充電站是下一步的目標市場。BtXEETC-電子工程專輯

碳化矽協同柵極驅動為電動車與混動提供廣泛的車載應用解決方案，主要應用在車載充電器、降壓轉換器和主驅逆變器上。BtXEETC-電子工程專輯
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目前主驅以IGBT為主，SiC應用正在研發中，預計2021年之後可以走向市場。蘇勇錦表示，電動汽車未來有三大趨勢，一是行駛裡程延長，二是縮短充電時間，三是需要更高的電池容量。為了順應這個趨勢，SiC在汽車應用中也會變化，比如OBC在2017年之前是以SiC SBD為主，2017年後SiC SBD＋SiC MOS已經成熟；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正在研發中；用於大功率DCDC（用於快速充電）的SiC MOS也正在研發中。BtXEETC-電子工程專輯

在著名的電動方程式（Formula-E）賽車中也用到了SiC技術，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後，與傳統逆變器相比，重量降低2kg，尺寸減小19％，而2017年的第四賽季採用Si MOS＋SiC SBD後，其重量降低6kg，尺寸減小43％。BtXEETC-電子工程專輯
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將SiC逆變器用於電動汽車帶來的經濟收益顯而易見，通過SiC可提高逆變器效率3%-5%，降低電池成本/容量，並且SiC MOS有很大機會率先引入高檔車中，因為其電池容量更大。BtXEETC-電子工程專輯

羅姆的最新SiC產品及產能狀況

目前羅姆的JBS產品線已經來到第3代，相比1、2代產品二極體連接處採用肖特基勢壘連接，3代增加了PN連接。在特徵上除了前代產品的高耐壓和高溫時VF低外，還具有IFSM大、漏電流小等優點。BtXEETC-電子工程專輯

第3代SiC-MOSFET相比第2代，主要是架構從平面型柵極（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也在研發當中，預計今年6英寸產品將商用，分為汽車應用和非汽車應用兩類。BtXEETC-電子工程專輯
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6英寸的SiC MOSFET晶圓BtXEETC-電子工程專輯

羅姆從2002年就開始進行SiC MOSFET的基礎研究，2004年底開發出產品原型，在2009年收購做SiC晶圓的德國材料廠商SiCrystal後，擁有了從晶棒生產、晶圓工藝到封裝組裝的完全垂直整合一條龍生產制。2010年，SiC SBD和SiC MOSFET相繼開始量產。BtXEETC-電子工程專輯

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。產能到2021年會提高6倍，到2025年將達到16倍。BtXEETC-電子工程專輯

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根據市場調研機構Yole Development數據，2013年羅姆在SiC市場的份額為12%，而據富士經濟的數據，這一數值在2018年劇增至23%。BtXEETC-電子工程專輯

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所以從市場需求來看，就這個產能依然不夠，因此羅姆在日本國內時隔12年再建了一座佔地面積20000平方米的Apollo新工廠，主要為SiC器件提供晶圓，已於2019年4月動工，預計2021年投入使用。BtXEETC-電子工程專輯

除SiC之外，隔離柵極驅動器（Gate Driver）也是一個很大的市場，目前市場使用光學式隔離驅動器的仍佔80%，但根據羅姆調查，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年首家開始量產單晶片集成溫度監控、電源的磁隔離柵極驅動器，目前在車載磁隔離柵極驅動器IC市場佔據80%以上份額，位居全球首位。預計到2021年羅姆的生產能力將提高5倍，到2025年預計提高15倍。BtXEETC-電子工程專輯

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