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」。

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件。與傳統矽元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最後透過人工合成可以製造,但因加工極其困難,所以SiC功率元件量產化曾一度令研究者們頭疼。

日前,羅姆半導體(Rohm Semiconductor)在深圳舉辦了一場SiC功率元件主題的媒體交流會。作為最早一批將SiC功率元件量產化的廠商之一,羅姆在2010年成功量產了SiC-平面型閘極(DMOS)。這次見面會上,羅姆半導體(深圳)技術中心經理蘇勇錦為大家詳細介紹了SiC,並將它與傳統Si功率元件性能進行了對比,最後介紹了當前SiC市場的動向,和羅姆在該領域的產品佈局和戰略。

什麼是SiC?

跟傳統半導體材料矽相比,它在擊穿場強、禁帶寬度(width of forbidden band)、電子飽和速度、熔點,以及熱導率方面都有優勢。

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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厚,導致材料成本更高。在閘極和汲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可以讓這個區域做得更薄,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,能量損耗也就小了,性能得到提升。

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相對矽功率元件,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4,000V左右;電晶體中Si-MOSFET可以做到900V,市場上也有1,500V的,但特性會差些,而SiC產品電壓可達3,300V。

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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。

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SiC和矽性能大比拼

千辛萬苦研發出來的SiC元件,和矽元件相比到底哪點好?蘇勇錦認為主要有以下三點:

1.更低的阻抗,帶來更小尺寸的產品設計和更高的效率;

2.更高頻率的運行,能讓被動元元件做得更小;

3.能在更高溫度下運行,意味著冷卻系統可以更簡單。

舉例來說更直覺,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%。

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另外,SiC-SBD(蕭特基二極體)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。

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SiC-MOSFET與Si-IGBT/Si-MOSFET的開關特性比較時,開關off時的損耗大幅減少,本體二極體的恢復特性尤其好。

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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1,200V 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。

SiC最夯市場:電動車

SiC最初的應用場景,主要集中在太陽能儲能中的逆變器,資料中心伺服器的UPS電源,智慧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車(xEV)的發展,SiC也在這個新領域迅速崛起,涵蓋的產業包括能源(PV、EV充電、智慧電網等)、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。

SiC協同閘極驅動為電動車與混合動力車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。

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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,電動車未來有三大趨勢,一是行駛里程延長,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 MOSFET已經成熟;DCDC也在2018年由Si MOSFET演變成SiC MOSFET為主;逆變器目前仍以IGBT+Si FRD為主,SiC MOSFET預計在2021年商用;無線充電應用的SiC SBD+SiC MOSFET正在研發中;用於大功率DCDC(用於快速充電)的SiC MOSFET也正在研發中。

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 MOSFET+SiC SBD後,其重量降低6kg,尺寸減小43%。

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將SiC逆變器用於電動車帶來的經濟收益顯而易見,透過SiC可提高逆變器效率3~5%,降低電池成本/容量,並且SiC MOSFET有很大機會率先引入高檔車中,因為其電池容量更大。

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蕭特基勢壘連接,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。

第3代SiC-MOSFET相比第2代,主要是架構從DMOS變成了溝槽型閘極(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英吋產品將商用,分為汽車應用和非汽車應用兩類。

20190717NT61P10 6英吋SiC MOSFET晶圓。

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年收購製造SiC晶圓的德國材料廠商SiCrystal後,擁有了從晶棒生產、晶圓製程到封裝組裝的完全垂直整合一條龍生產。2010年,SiC SBD和SiC MOSFET相繼開始量產。

自2017年到2021年,羅姆有階段性的投資在SiC上,計畫到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。

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根據市場調研機構Yole Développement資料,2013年羅姆在SiC市場的份額為12%,而據富士經濟的資料,這一數值在2018年增至23%。

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20,000平方米的Apollo新工廠,主要為SiC元件提供晶圓,已於2019年4月動工,預計2021年投入使用。

除SiC之外,隔離閘極驅動器(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年開始量產單晶片整合溫度監控、電源的磁隔離閘極驅動器,目前在車載磁隔離閘極驅動器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。

本文為姊妹刊EE Times China原創文章