第三代半导體(tǐ)材料: SiC的兴起与未来

SiC：极限功率器件的理(lǐ)想材料 

1、 SiC：极限功率器件的理(lǐ)想的材料

SiC 是由硅和碳组成的化合物(wù)半导體(tǐ)材料，在热、化學(xué)、机械方面都非常稳定。C 原子和 Si 原子不同的结合方式使 SiC 拥有(yǒu)多(duō)种晶格结构，如4H、6H、3C 等等。4H-SiC 因為(wèi)其较高的载流子迁移率，能(néng)够提供较高的電(diàn)流密度，常被用(yòng)来做功率器件。

SiC 从上个世纪 70 年代开始研发，2001 年 SiC SBD 商(shāng)用(yòng)，2010 年 SiCMOSFET 商(shāng)用(yòng)，SiC IGBT 还在研发当中。随着 6 英寸 SiC 单晶衬底和外延晶片的缺陷降低和质量提高，使得 SiC 器件制备能(néng)够在目前现有(yǒu) 6英寸Si基功率器件生長(cháng)線(xiàn)上进行，这将进一步降低SiC材料和器件成本，推进 SiC 器件和模块的普及。

▲SiC 功率器件的发展历史

SiC 器件相对于 Si 器件的优势主要来自三个方面：降低電(diàn)能(néng)转换过程中的能(néng)量损耗、更容易实现小(xiǎo)型化、更耐高温高压。

降低能(néng)量损耗。SiC 材料开关损耗极低，全 SiC 功率模块的开关损耗大大低于同等IGBT模块的开关损耗，而且开关频率越高，与IGBT模块之间的损耗差越大，这就意味着对于 IGBT 模块不擅長(cháng)的高速开关工作，全 SiC 功率模块不仅可(kě)以大幅降低损耗还可(kě)以实现高速开关。

低阻值使得更易实现小(xiǎo)型化。SiC 材料具备更低的通态電(diàn)阻，阻值相同的情况下可(kě)以缩小(xiǎo)芯片的面积，SiC 功率模块的尺寸可(kě)达到仅為(wèi) Si 的 1/10 左右。

更耐高温。SiC 的禁带宽度 3.23ev，相应的本征温度可(kě)高达 800 摄氏度，承受的温度相对 Si 更高；SiC 材料拥有(yǒu) 3.7W/cm/K 的热导率，而硅材料的热导率仅有(yǒu) 1.5W/cm/K，更高的热导率可(kě)以带来功率密度的显著提升，同时散热系统的设计更简单，或者直接采用(yòng)自然冷却。

▲SiC 能(néng)大大降低功率转换中的开关损耗

▲SiC 更容易实现模块的小(xiǎo)型化、更耐高温

2、 SiC 产业链：欧美占据关键位置

SiC 生产过程分(fēn)為(wèi) SiC 单晶生長(cháng)、外延层生長(cháng)及器件制造三大步骤，对应的是产业链衬底、外延、器件与模组三大环节。

SiC 衬底：SiC 晶體(tǐ)通常用(yòng) Lely 法制造，國(guó)际主流产品正从 4 英寸向 6 英寸过渡，且已经开发出 8 英寸导電(diàn)型衬底产品，國(guó)内衬底以4 英寸為(wèi)主。由于现有(yǒu)的 6 英寸的硅晶圆产線(xiàn)可(kě)以升级改造用(yòng)于生产 SiC 器件，所以 6 英寸 SiC 衬底的高市占率将维持较長(cháng)时间。

SiC 外延：通常用(yòng)化學(xué)气相沉积（CVD）方法制造（碳化硅用(yòng)石墨碳盘），根据不同的掺杂类型，分(fēn)為(wèi) n 型、p 型外延片。國(guó)内瀚天天成、东莞天域已能(néng)提供 4 寸/6 寸 SiC 外延片。

SiC 器件：國(guó)际上 600~1700V SiC SBD、MOSFET 已经实现产业化，主流产品耐压水平在 1200V 以下，封装形式以 TO 封装為(wèi)主。价格方面，國(guó)际上的 SiC 产品价格是对应 Si 产品的 5~6 倍，正以每年 10%的速度下降，随着上游材料器件纷纷扩产上線(xiàn)，未来 2~3年后市场供应加大，价格将进一步下降，预计价格达到对应 Si 产品2~3 倍时，由系统成本减少和性能(néng)提升带来的优势将推动 SiC 逐步占领 Si 器件的市场空间。

▲SiC 器件生产流程

▲SiC 产业链及主要工序

全球 SiC 产业格局呈现美國(guó)、欧洲、日本三足鼎立态势。其中美國(guó)全球独大，全球 SiC 产量的 70%~80%来自美國(guó)公司，典型公司是 Cree、Ⅱ-Ⅵ；欧洲拥有(yǒu)完整的 SiC 衬底、外延、器件以及应用(yòng)产业链，典型公司是英飞凌、意法半导體(tǐ)等；日本是设备和模块开发方面的领先者，典型公司是罗姆半导體(tǐ)、三菱電(diàn)机、富士電(diàn)机等。

▲SiC 产业链各环节公司

3、SiC 市场：汽車(chē)是最大驱动力

SiC 器件正在广泛地被应用(yòng)在電(diàn)力電(diàn)子领域中，典型市场包括轨交、功率因数校正電(diàn)源（PFC）、风電(diàn)（wind）、光伏（PV）、新(xīn)能(néng)源汽車(chē)（EV/HEV）、充電(diàn)桩、不间断電(diàn)源（UPS）等。根据 Yole 的预测， 2017~2023 年，SiC 功率器件市场将以每年 31%的复合增長(cháng)率增長(cháng)， 2023 年将超过 15亿美元；而 SiC 行业龙头 Cree 则更為(wèi)乐观，其预计短期到 2022 年，SiC 在電(diàn)动車(chē)用(yòng)市场空间将快速成長(cháng)到 24 亿美元，是 2017 年車(chē)用(yòng) SiC整體(tǐ)收入（700 万美元）的 342 倍。

▲SiC 器件应用(yòng)领域广泛

▲2022 年 SiC 在電(diàn)动車(chē)市场规模达到 24 亿美金

SiC 是制作高温、高频、大功率、高压器件的理(lǐ)想材料之一，技术也已经趋于成熟，令其成為(wèi)实现新(xīn)能(néng)源汽車(chē)最佳性能(néng)的理(lǐ)想选择。与传统解决方案相比，基于 SiC 的解决方案使系统效率更高、重量更轻及结构更加紧凑。目前 SiC 器件在 EV/HEV 上应用(yòng)主要是功率控制单元、逆变器、DC-DC 转换器、車(chē)载充電(diàn)器等方面。

▲SiC 器件在四个关键领域提升電(diàn)动汽車(chē)的系统效率

新(xīn)能(néng)源車(chē)的功率控制单元（PCU）。PCU 是汽車(chē)電(diàn)驱系统的中枢神经，管理(lǐ)電(diàn)池中的電(diàn)能(néng)与電(diàn)机之间的流向、传递速度。传统 PCU 使用(yòng)硅基材料半导體(tǐ)制成，强電(diàn)流与高压電(diàn)穿过硅制晶體(tǐ)管和二极管的时的電(diàn)能(néng)损耗是混合动力車(chē)最主要的電(diàn)能(néng)损耗来源。而使用(yòng) SiC 则大大降低了这一过程中能(néng)量损失，将传统 PCU 配备的 Si 二极管置换成 SiC 二极管，Si IGBT 置换成 SiC MOSFET，就可(kě)以降低 10%的总能(néng)量损耗，同时也可(kě)以大幅降低器件尺寸，使得車(chē)辆更為(wèi)紧凑。丰田中央研发实验室（CRDL）和電(diàn)装公司从 1980 年代就开始合作开发 SiC 半导體(tǐ)材料，2014 年双方正式发布了基于 SiC 半导體(tǐ)器件的新(xīn)能(néng)源汽車(chē) PCU，是这一领域的典型代表。

▲采用(yòng) SiC 的 PCU 尺寸大大减小(xiǎo)

▲罗姆的 SiC 赛車(chē)用(yòng)逆变器明显降低重量及尺寸

車(chē)用(yòng)逆变器。SiC 用(yòng)在車(chē)用(yòng)逆变器上，能(néng)够大幅度降低逆变器尺寸及重量，做到轻量化与节能(néng)。在相同功率等级下，全 SiC 模块的封装尺寸显著小(xiǎo)于 Si模块，同时也可(kě)以使开关损耗降低75％（芯片温度為(wèi) 150° C）；

在相同封装下，全 SiC 模块具备更高電(diàn)流输出能(néng)力，支持逆变器达到更高功率。特斯拉 Model 3 采用(yòng)了意法半导體(tǐ)（后来增加了英飞凌）生产的SiC逆变器，是第一家在主逆变器中集成全SiC功率模块的車(chē)企。2017年 12 月 2 日，ROHM 為(wèi) VENTURI 車(chē)队在電(diàn)动汽車(chē)全球顶级赛事“FIAFormula E” 锦标赛第四赛季中提供了采用(yòng)全 SiC 功率模块制造的逆变器，使得相对于第二赛季的逆变器尺寸下降 43%，重量轻了 6kg。

車(chē)载充電(diàn)器。SiC 功率器件正在加速其在車(chē)载充電(diàn)器领域的应用(yòng)趋势，在今年的功率器件展 PCIM Europe 2018（2018 年 6 月 5~7 日在德國(guó)纽伦堡举行）上，多(duō)家厂商(shāng)推出了面向 HEV/EV 等電(diàn)动汽車(chē)充電(diàn)器的 SiC功率器件产品。据 Yole 统计，截至 2018 年有(yǒu)超过 20 家汽車(chē)厂商(shāng)在自家車(chē)载充電(diàn)器中采用(yòng) SiC SBD 或 SiC MOSFET 器件，且这一市场在2023 年之前保持 44%的增長(cháng)。

本文(wén)出自深圳市石金科(kē)技股份有(yǒu)限公司，公司是集销售、应用(yòng)开发，产品加工的石墨专业厂家，专门為(wèi)模具行业、机械行业、真空热处理(lǐ)炉、電(diàn)子半导體(tǐ)及太阳能(néng)光伏产业等提供石墨材料、石墨電(diàn)极和相关的石墨制品，欢迎致電(diàn)13662687390