發布時間：2019/9/25 17:22:25
瀏覽次數：2366
2019-08-14 來源：第三代半導體產業技術戰略聯盟
SiC(碳化硅)作為第三代半導體，以耐高壓、高溫和高頻，在高性能功率半導體上顯出優勢。在應用中，在光伏和服務器市場最大，正處于發展中的市場是xEV（電動與混動汽車）。隨著SiC產品特性越做越好，在需要更高電壓的鐵路和風電上將會得到更多的應用。
不過，制約SiC發展的，關鍵是價格，主要原因有兩個，一個是襯底，一個是晶圓尺寸所限。例如晶圓尺寸越大，成本也會相應地下降，羅姆（ROHM）等公司已經有6英寸的晶圓片。在技術方面，眾廠商競爭的有兩個焦點：技術和原材料。
1 應用領域
現有的市場中，光伏和服務器最大。處于發展中的市場是xEV。隨著SiC產品特性越做越好，在鐵路和風電上會得到更多的應用。
在xEV方面，現在OBC（車載充電器）和DC/DC上應用得比較多，今后主驅上也會有很多應用(如下圖)。OBC方面，大約兩三年前已開始大量應用SiC肖特基勢壘二極管（SBD），現在SiC肖特基、SiC MOSFET已經用在很成熟的市場。DC/DC方面，市場上也已用得很多了。主驅逆變器方面，現在仍以Si IGBT和Si FRD(整流二極管)為主，但是客戶都在研發SiC產品，預計2021年、2022年之后，SiC的MOS會得到越來越多的應用。當前主驅應用上最大的瓶頸不是設計，而是在價格，例如Si IGBT模塊如果改成SiC模塊，價格提升5~10倍左右。另外，汽車的快速充電和無線充電方面，大家現在也在研發SiC方案，預計今后有很大的應用前景。
未來，風電和鐵路將是很大的市場。因為現在SiC還是以1.7 kV和1.2 kV為主，而風能需要3.3 kV，鐵路需要3.3 kV、3.6 kV甚至5 kV以上，因此隨著SiC的電壓做得越來越高，風電和鐵路將是下一個藍海。
對SiC市場的預測有多種版本，甚至同一家市場調查公司也有多種版本。羅姆基于IHS的調查，保守地預測2025年整個市場規模將達到約23億美元（如下圖）。
2 SiC的新技術進展
SiC的功率元器件產品主要有三類：SiC肖特基（二極管）、SiC MOSFET（三極管）和模塊產品。
2.1 總體趨勢
SiC肖特基。欲取代400 V~3.3 kV的Si PND（快恢復二極管）和FRD（整流二極管）。
第一個趨勢是把晶圓做得越來越大，由原來的4英寸轉為現在的6英寸，在將來有可能向8英寸或更大尺寸去進展。其次是車規品。再有是把封裝做得越來越多元化，例如做更多的貼片封裝，把它的產品線做得更多一些。
SiC MOSFET。欲取代600V~3.3 kV的Si MOSFET和IGBT。
第一個趨勢也是晶圓越做越大。其次把電流和電壓做大做高。再有也是把封裝做得豐富一些，例如現在市場上比較多的像TO-247是3引腳，接下來羅姆會推出TO-247的4引腳產品，這樣在工控產品上可以更方便地去使用。第四是車規品更多一些。
2.2 制造工藝的改進
SiC領域也有多個玩家，例如羅姆、英飛凌、Cree、ST等。羅姆半導體（北京）有限公司設計中心所長水原德建介紹了SiC及羅姆產品的技術進展。
SiC肖特基工藝的改進。現在市面上的SiC肖特基產品有兩種構造，一種是純肖特基構造。羅姆的第一代和第二代產品采用了純肖特基的構造。純肖特基構造的最大好處在哪里？因為肖特基有兩個特性，一個是VF，即正向耐壓；另一個特性是瞬間的最大電流。所以如果用肖特基構造來做，雖然VF可以做得很低，但是瞬間電流做得不好。
為此，羅姆的第3代產品采用了JBS構造。JBS構造的最大好處，雖然VF會相應的變差，但是羅姆用自己的能力在保證原有的低VF的情況下，把瞬間電流做得更大。由于JBS構造的優勢，現在市場上的產品基本都是JBS構造。
SiC MOSFET
現在也有兩種結構的產品，第一種叫平面型構造MOS，即DMOS，還有一種MOS是溝槽型的構造，即UMOS（U的意思是溝槽像U型）。兩種MOS的最大區別是：平面型的耐壓可以做得很好，但是芯片尺寸要做得很大。但是溝槽式的可以做小，即可以把晶圓尺寸做小一些，價格更低一些，同樣的芯片情況下，還可以把Ron做得更低一些。
為此，羅姆的第1、2代產品采用平面型構造，第3代采用了溝槽型構造。這種溝槽型的構造現在只有羅姆一家在做。不僅如此，羅姆的溝槽構造還有一個優勢：普通Si的溝槽型構造是一個溝槽(Trench)，但是羅姆挖了兩個溝槽，因為MOS有個最大的問題是在柵極（Gate）耐壓會差一些，因為它是個氧化膜，因此羅姆又挖了一個溝槽，使它的電流可以從此跑出去，使它的耐壓特性更強一些。這種雙溝槽的構造是羅姆的一項專利，也是羅姆獨有的。
模塊
把上述的二極管、三極管集成在一起，就做成了模塊。SiC的開關損耗比IGBT更低。并且隨著頻率的增高，IGBT模塊的損耗增加很快，這意味著在頻率越高的情況下，SiC的特性會越會體現出來，可以越節能（如下圖)。
3 羅姆的投資及制造進程
SiC領域也有多個玩家，除了羅姆外，還有英飛凌、Cree、ST等。
SiC作為新一代技術和產品，需要擴建和持續投資。例如羅姆，需要多個階段性投資，預計到2025年時將，累計投資將達850億日元（如下圖右）。
羅姆的SiC產能預計2021年會達到2017年的6倍，2025年的時候會達到2017年的16倍（如下圖左）。除了SiC之外，驅動SiC還需要柵極驅動器，羅姆的柵極驅動的產能也會越來越提高（下圖右）。
羅姆在2000年左右開始投資SiC。為了實現一條龍生產策略，在2009年收購了德國晶圓廠SiCrystal公司，該公司主要做SiC柱、SiC襯底。之后在2010年時羅姆實現了SiC肖特基的量產，可謂日本第一家量產的公司，在全球是第四家。2010年底，羅姆量產了SiC MOSFET，堪稱全球第一家量產的公司。在兩年之后的2012年，羅姆量產了SiC模塊，是全球第一家實現量產的公司。2015年，羅姆量產了溝槽型SiC MOSFET，也是全球第一家量產的公司。
羅姆的晶圓可以做到6英寸。
4 羅姆的SiC產品及規劃
主要有三大類：SiC肖特基，SiC MOSFET，SiC模塊。
SiC肖特基現在主要是以第2代和第3代為主，第2代和第3代主要是650 V和1.2 kV產品，從5 A到40 A。SiC MOS也是主要以第2、3代為主，主要是650 V、1.2 kV、1.7 kV，導通電阻最小可以做到17 mΩ，最大約1150 mΩ。模塊主要是以半橋的方式，封裝主要有市場用的比較多的是C型、E型和G型，產品以1.2 kV和1.7 kV為主，電流主要是80 A到600 A安培。通用模塊方面，羅姆會自己來做；像車用六合一模塊等特殊模塊，羅姆和國內的模塊廠一起合作。
除此以外，羅姆還銷售SiC芯片，主要是以650 V~1.7 kV為主，從6 A一直到50 A。目前，羅姆正在發展以SiC為首的電源解決方案，和其它公司相比，優勢是既有自己的晶圓，又有自己的芯片。絕緣柵極驅動器方面，羅姆也是想今后把這塊做得越來越大，預計2020年3越發布第四代MOSFET產品。
上圖：羅姆的SiC MOSFET，及6英寸Trench-MOSFET晶圓(左)、6英寸SBD晶圓（右）
上圖：搭載羅姆SiC芯片的SiC MOSFET模塊
返回